Search

“In this thesis, we study paradigmatic quantum systems coupled to external environments which can be unbounded or bounded. An unbounded external environment can be characterized by few decay channels, where the excitation can be lost. Due to the competition of the states of the system to decay in few channels of the external environment, cooperative eects such as superradiance and subradiance can be induced. Together with the coupling to an unbounded environment, we also consider a bounded external environment. Such coupling will induce a transition to a gapped regime, where the ground state is separated from the other excited states. In order to study the eect of the coupling to external environments on quantum transport, we intend to analyze three dierent models. e rst model that we consider is the Power-law Banded Random Matrix (PBRM) model. E PBRM represents 1D tight-binding chains with long-range random hopping.”

The study of light–matter interaction has drawn through the years more and more interest. With the improvement of the techniques used for building electromagnetic cavities, it is now possible to couple cavities with nanocircuits merging the fields of quantum optics and nanoelectronics.Not only that, but some experiments also reported the possibility to use a scanning tunneling microscope as a plasmonic cavity coupled with electronic transport. In this thesis a theoretical framework is proposed, based on mesoscopic quantum electrodynamics, for studying the coupling between electronic transport in a molecular junction and the electromagnetic field of a cavity. This thesis focuses on the sequential tunneling regime for the electrons and use density matrix approach. This allows to derive the master equation as well as a computational scheme to compute electronic current and the photon statistic when it is not possible to obtain analytical results. First, a single–level model for the molecule in the junction is studied. Indeed the electronic current induces a fluctuation of the charge on the molecule that couples with the electromagnetic field in the cavity. The investigations on this system are done in the experimentally relevant limit of large damping rate κ for the cavity mode and arbitrary strong light–matter coupling strength. This model shows the equivalence between the electron–photon coupling for a single level and the electron– phonon coupling that has long been studied in nanoelectronics known as the Franck–Condon principle. The current–voltage characteristics show steps, each separated by the energy of a photon, as the electron tunneling dissipate some energy in the cavity mode. In this work a formula has been derived for the electronic current taking into account the damping of the cavity. This allows to show that the width of the current’s steps are controlled by κ rather than the temperature. The single-level junction shows interesting light–emission regimes. At large bias voltage this theory predicts strong photon bunching of the order κ/Γ where Γ is the electronic tunneling rate. However, at the first inelastic threshold the theory predicts current–driven non–classical light emission from the single–level junction. Finally the investigation of the effect of a strong external drive of the cavity on the electronic current shows a quantization of the current that is linked to the Franck–Condon effect. Finally the theory is applied to a double–level model for the molecular junction inspired by quantum optics. In this scenario, the cavity mode couples to the electronic transition between the two states of the molecule. The effect of the charge fluctuations for each single electronic level is neglected. Therefore the coupling is a dipolar coupling in this case. The focus is mainly on the weak coupling regime. The electronic current shows the Rabi splitting due to the hybridization of the cavity mode and the molecule. Electronic tunneling can occur into these hybridized states and is responsible for light emission in the cavity in a iii single tunneling process. Light antibunching is seen in the weak coupling regime since our model predicts that only single photon emission is possible during a tunneling event in this case. Though the intermediate coupling regime is only briefly treated, the strong coupling regime is shown to be similar to two independent single level.; El estudio de las interacciones entre luz y materia ha atraído un interés creciente a lo largo de los años. La mejora de las técnicas de fabricación de las cavidades electromagnéticas permite hoy conjugar las cavidades con nanocircuitos, combinando así los campos de la óptica cuántica y de la nanoelectrónica. Se añade a eso la posibilidad de usar un microscopio con efecto túnel a modo de cavidad plasmónica combinada con el transporte electrónico que fue demostrado en numerosas experiencias. Esa tesis propone un cuadro teórico basado en la electrodinámica mesoscópica, permitiendo el estudio de la combinación del transporte electrónico dentro de una unión molecular con el campo electromagnético de una cavidad. El foco se centra en el régimen túnel secuencial de los electrones, a cual está apto el uso de la matriz densidad para los cálculos. Ese régimen permite establecer ecuaciones claves que rigen el desarrollo temporal de la matriz densidad, tal como un esquema de cálculo numérico de la corriente electrónica y de la estadística de los fotones en la cavidad cuando no es posible obtener un resultado analítico. Primero se estudia un modelo de un solo nivel electrónico para la molécula. En efecto, la existencia de una corriente electrónica significa que la carga en la molécula fluctúa y esa fluctuación se combina con el campo electromagnético de la cavidad. El estudio de ese sistema se hace en el limite, experimentalmente pertinente, del ratio alto de la amortiguación κ del modo de la cavidad y del acoplo luz–materia arbitrariamente alto. Ese modelo demuestra la equivalencia del acoplo electrón– fotón para un nivel electrónico y el acoplo electrón–fonón que se ha estudiado desde hace mucho tiempo en el campo de la nanoelectrónica bajo el nombre del principio de Franck–Condon. La característica corriente– tensión del circuito hace aparecer una evolución de escalones, cada uno separado por la energía de un fotón. Eso corresponde a una disipación de energía por parte de los electrones al modo de la cavidad durante el proceso de transporte. En ese trabajo se derivó una ecuación para la corriente electrónica que toma en cuenta el efecto de la amortiguación de la cavidad. Esto demuestra que la anchura de los saltos en la corriente está controlada por κ más que por la temperatura. El modelo de un solo nivel muestra también regímenes inesperados de emisión de luz. En el límite de voltaje alto entre los electrodos de la unión molecular, la teoría predice una agrupación («bunching») de los fotones emitidos dentro de la cavidad. La correlación entre dos fotones emitidos alcanza un valor del orden de κ/Γ donde Γ es el ratio de tunelamiento de los electrones. Sin embargo, en el primer umbral de transferencia inelástica esa teoría iv predice una emisión de luz no-clásica provocada por la corriente electrónica. Por fin, el estudio del impacto de una fuerte excitación externa del modo de la cavidad muestra también una cuantización de la corriente relacionada al efecto Franck–Condon. Finalmente, la teoría desarrollada en esta tesis está aplicada también a una unión molecular de dos niveles electrónicos inspirada de la óptica cuántica. En ese escenario el modo de la cavidad está acoplado con la transición electrónica entre dos orbitales moleculares. El efecto de fluctuaciones de carga en cada orbital no se tiene en cuenta. Entonces en ese marco el acoplo es solo dipolar. Se centra la atención principalmente en el régimen del acoplo débil. La corriente electrónica muestra la huella de oscilaciones de Rabi como resultado de la hibridación del modo de la cavidad con la molécula. El transporte de electrones se puede ocurrir mediante estos estados híbridos. Entonces el traslado de un único electrón es responsable de la emisión de un fotón en la cavidad. Se observa el desagrupamiento («anti-bunching») de la luz emitida.; L’étude de l’interaction entre la lumière et la matière n’a cessé de susciter un intérêt croissant au fil des années. L’amélioration des techniques de fabrication des cavités électromagnétiques permet aujourd’hui de coupler ces cavités à des nanocircuits, se faisant, combinant les champs de l’optique quantique et de la nanoélectronique. À cela s’ajoute enfin la démonstration expérimentale de la possibilité d’utiliser un microscope à effet tunnel comme cavité plasmonique couplée au transport électronique. Cette thèse propose un cadre théorique basé sur l’électrodynamique quantique en cavité, permettant l’étude du couplage entre le transport électronique dans une jonction moléculaire et le champ électromagnétique d’une cavité. L’attention est portée sur le régime de transfert tunnel séquentiel des électrons, auquel est adapté l’utilisation les calculs basés sur l’usage de la matrice densité. Ce régime permet d’établir les equations maîtresses régissant l’évolution temporelle de la matrice densité, ainsi qu’un schéma de calcul numérique du courant électronique et des propriétés statistiques des photons dans la cavité quand il n’est pas possible d’obtenir un résultat analytique. Dans un premier temps, l’attention est portée sur un modele de jonction moléculaire à une orbitale. En effet, l’existence d’un courant électronique signifie que la charge de la molécule fluctue et cette fluctuation se couple au champ électromagnétique de la cavité. L’étude de ce premier système est faite dans le régime, expérimentalement pertinent, de fort taux d’amortissement κ ≥ kBT du mode de la cavité et de couplage lumière–matière arbitrairement élevé. Ce modèle met en évidence l’équivalence du couplage électron–photon et du couv plage électron–phonon pour un unique niveau électronique. Ce couplage électron–phonon est étudié depuis longtemps en nanoélectronique sous le nom de principe Franck–Condon. La caractéristique courant–tension du circuit fait apparaitre une évolution par paliers ou seuils inelastiques, chacun séparé par l’énergie d’un photon. Ce phénomène correspond à une dissipation d’énergie, par émission de photons dans la cavité, médiée par le courant électronique. Pour cette étude, une formule du courant électronique prenant en compte l’effet de l’amortissement de la cavité(facteur de qualité Q ≈ 10) a été dérivée. Cela a permis de montrer que la largeur des sauts du courant est contrôlée par κ plutôt que la température. Ce modèle démontre la possibilité d’obtenir divers régimes d’émission de lumière par passage de courant au sein de la jonction. Pour une importante différence de potentiel entre les électrodes de la jonction, cette théorie prédît un important groupement («bunching») des photons émis dans la cavité. La fonction de corrélation de deux photons à temps égaux g(2)(0) atteint alors une valeur de l’ordre de κ/Γ, où Γ est le taux de transfert tunnel des électrons. En revanche, au premier seuil de transfert inélastique des électrons, cette théorie prédît une émission de lumière non–classique provoquée par le courant électronique moléculaire à un niveau (la jonction se comporte alors comme une source à un photon). Enfin, nous avons montré qu’en présence d’une source de voltage dépendant du temps appliqué à la cavité, le courant dc présente des paliers analogues à ceux obtenus dans le régime Franck–Condon. La théorie développée dans cette thèse est ensuite appliquée à une jonction moléculaire à deux niveaux électroniques. Dans ce scénario, le mode de la cavité se couple à la transition électronique entre les deux orbitales moléculaires. L’effet des fluctuations des charges de chaque orbitale est négligé. Dans ce cadre, nous avons étudié le cas d’un couplage cavité-molécule de type dipolaire électrique. L’attention est portée principalement sur le régime de couplage faible entre le dipole de la molécule et le mode de la cavité. [...]

Tesis (Doctor en Física)--Universidad Nacional de Córdoba, Facultad de Matemática, Astronomía,Física y Computación, 2016. En esta tesis se presenta un estudio de diferentes aspectos del transporte de carga y valle en nanoestructuras basadas en carbono y la influencia de defectos en el material. La tesis esta dividida en dos bloques. La primera parte corresponde al estudio del bombeo cuántico adiabático en presencia de defectos Stone-Wales. Nuestros resultados muestran que su presencia puede incrementar notablemente la magnitud de la carga bombeada por el sistema. La segunda parte está orientada al estudio de la polarización de valles electrónicos en grafeno mediante una línea de defectos pentágono-octógono. El modelo que desarrollamos para este trabajo permite un análisis profundo del mecanismo de filtrado, lo que nos llevó a encontrar que una región de energía alejada de los puntos de Dirac se produce una inversión en la polarización de valle. In this thesis is presented a study of different aspects of charge and valley transport in carbon-based nanostructures and the influence of defects. The thesis is divided in two blocks. The first part corresponds to the study of adiabatic quantum pumping in presence of a Stone-Wales defect. Our results show that its presence can increase the magnitude of the pumped charge by the system. The second part is oriented to the study of valley polarization in graphene by means of a line of defects pentagon-octagon. The model we developed allows a profound analysis of the filtering mechanism, wich led us to find that in an energy region close to the Dirac points, is produced an inversion of the valley polarization.

En esta tesis estudiamos las propiedades de transporte de carga y energía en sistemas deescala mesoscópica que se encuentran fuera del equilibrio debido a la acción de potencialesdependientes del tiempo. Con el objetivo de estudiar las propiedades termodinámicas yfenómenos termoeléctricos en sistemas fuera del equilibrio, nos enfocamos en describirla relación entre corrientes de partículas y de energía. En primer lugar, comenzamosestudiando transporte eléctrico en sistemas de tipo Aharonov-Bohm con anillos conectadosa dos electrodos y en presencia de campos magnéticos alternos. Analizamos las condicionespara generar corrientes de bombeo continuas en el régimen adiabático y las propiedadesde simetría de esta corriente ante la inversión del campo magnético. Luego nos enfocamos en el estudio de transporte dependiente del tiempo de energíay calor en sistemas con voltajes alternos aplicados. En este punto, presentamos una expresión apropiada para el cálculo de las corrientes de calor en cada parte del sistema, enacuerdo con los principios fundamentales de la termodinámica. Por último, derivamos una teoría termoeléctrica generalizada que incluye no solo lascorrientes de bombeo de carga y calor, sino también el trabajo intercambiado entre elsistema cuántico y las fuentes externas dependientes del tiempo. También presentamosexpresiones para los coeficientes termoeléctricos que obedecen relaciones de reciprocidadde Onsager. Esta teoría termoeléctrica generalizada nos permitió describir y caracterizaren término de eficiencias y figuras de mérito máquinas cuánticas tales como motores,generadores, maquinas térmicas y bombeadores de calor. A lo largo de la tesis, la resolución de los problemas se basó en la aplicación delformalismo de funciones de Green de Keldysh para sistemas fuera del equilibrio, y fueacompa~nada por resultados numéricos. We study the properties of charge and energy transport in mesoscopic systems undertime-dependent driving potentials. Studying the relation between particles and energycurrents is the basis to describe thermoelectric phenomena, and when combined with thebasic principles of thermodynamics, the resulting theory has simplicity and high predictivepower. With the purpose of describing this relation, we start by studying electric transportin Aharonov-Bohm setups containing rings threaded by ac magnetic fluxes. We analyzethe conditions to generate a pumped dc current in the adiabatic regime. We also studythe symmetry properties of the induced current as a function of the static component ofthe magnetic flux. Then we focus on the study of time-dependent energy and heat flows in systemswith external power sources. We derive the appropriate expression for the dynamicaldissipation, in accordance with the fundamental principles of thermodynamics. Finally, we generalize the theory of thermoelectrics to include coherent electron systemsunder adiabatic ac driving, accounting for quantum pumping of charge and heat aswell as the work exchanged between electron system and driving potentials. We derivethe relevant response coefficients in the adiabatic regime and show that they obey Onsagerreciprocity relations. This generalized thermoelectric framework allows us to describeand characterize in terms of efficiencies and figures of merit the operation of quantummachines like motors, generators, heat engines and heat pumps. During this work, we solved the problems by using out of equilibrium Keldysh's Greenfunction formalism and numerical methods. Fil: Ludovico, María Florencia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.

We theoretically consider transport properties of a normal metal (N)-superconducting semiconductor nanowire (S)-normal metal (N) structure (NSN) in the context of the possible existence of Majorana bound states in semiconductor–superconductor hybrid systems with spin–orbit coupling and external magnetic field. We study in detail the transport signatures of the topological quantum phase transition (TQPT) as well as the existence of the Majorana bound states in the electrical transport properties of the NSN structure. Our treatment includes the realistic non-perturbative effects of disorder, which is detrimental to the topological phase (eventually suppressing the superconducting gap completely), and the effects of the tunneling barriers (or the transparency at the tunneling NS contacts), which affect (and suppress) the zero bias conductance peak associated with the zero-energy Majorana bound states. We show that in the presence of generic disorder and barrier transparency the interpretation of the zero bias peak as being associated with the Majorana bound state is problematic since the non-local correlations between the two NS contacts at two ends may not manifest themselves in the tunneling conductance through the whole NSN structure. We establish that a simple modification of the standard transport measurements using conductance differences (rather than the conductance itself as in a single NS junction) as the measured quantity can allow direct observation of the non-local correlations inherent in the Majorana bound states. We also show that our proposed analysis of transport properties of the NSN junction enables the mapping out of the topological phase diagram (even in the presence of considerable disorder) by precisely detecting the TQPT point. We propose direct experimental studies of NSN junctions (rather than just a single NS junction) in order to establish the existence of Majorana bound states and the topological superconducting phase in semiconductor nanowires of current interest. Throughout the work we emphasize that the NSN transport properties are sensitive to both the bulk topological phase and the end Majorana bound states, and thus the NSN junction is well-suited for studying the non-local correlations between the end Majorana modes as well as the bulk TQPT itself. Fil: Lobos, Alejandro Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Física de Rosario (i); Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura; Argentina. University of Maryland; Estados Unidos Fil: Das Sarma, S.. University of Maryland; Estados Unidos

Caracterizar y manipular los estados cuánticos es una tarea esencial parael avance de la tecnología relacionada con el desarrollo de la electrónica depequeña escala y la computación cuántica. La generación y manipulación deestados, son la base para realizar cualquier procesamiento cuántico de la información. El objetivo general de esta tesis es el de investigar sistemas eléctricamentecontrolables, de interés para aplicaciones de espintrónica y computación cuántica. Con este fin, presentamos un estudio sobre las propiedadesdel transporte en una serie de sistemas mesoscópicos. Para ello, utilizamosel formalismo de funciones de Green fuera del equilibrio (también conocidocomo de Kadanoff-Baym-Schwinger-Keldysh). En una primera parte, estudiamosun anillo de Aharonov-Bohm unidimensional, como mediador de entrelazamientode dos partículas entre reservorios de electrones libres. Allí vemoscomo las correlaciones de corriente entre los distintos reservorios sirven, en determinadascircunstancias, para estimar el grado de entrelazamiento orbital. En la segunda parte de esta tesis, presentamos un modelo de un aisladortopológico bidimensional donde los estados de borde son helicoidales y estánprotegidos por la simetría de reversión temporal. Estudiamos el comportamientode la corriente en presencia de contactos puntuales que favorezcanel paso de partículas entre distintos canales y vemos como el ruido de frecuenciacero permite estimar la presencia o ausencia de procesos de saltoentre canales con distinto espín. Mostramos que, a partir de dos contactospuntuales, es posible construir un interferómetro con estados de borde. Porúltimo, analizamos la posibilidad de generar procesos efectivos de salto entrelos distintos estados de borde a partir del acoplamiento con un 'anti-punto'cuántico. To characterize and manipulate quantum states is essential for technologicaldevelopments related to small-scale electronics and quantum computing. The generation and manipulation of states are the basis for any quantuminformation processing. The main objective of this thesis is to investigateelectrically controllable systems of interest for applications in spintronics andquantum computing. To this end, we present a study of the transport propertiesof a series of mesoscopic systems. We use the formalism of Green's functionsout of equilibrium (also known as Kadanoff-Baym-Schwinger-Keldyshtechniques). In the first part, we study a one-dimensional ring that mediatesthe two-particle entanglement in free electrons reservoirs. Here we see thatthe current correlations between different reservoirs serve, in certain circumstances,to estimate the degree of orbital entanglement. In the second partof this thesis, we present a model of a two-dimensional topological insulatorwhere helical edge states are protected by time reversal symmetry. We studythe behavior of the current in the presence of point contacts that favor thehopping of particles between different channels and use the zero-frequencynoise to estimate the presence or absence of spin-ip hopping in real setups. We show that, for two quantum point contacts, it is possible to construct aninterferometer with edge states. Finally, we discuss the possibility of creatingeffective spin-flip processes between different edge states from the coupling with a quantum anti-dot. Fil: Rizzo, Bruno. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.

Esta tesis está enfocada en la modelización y simulación del transporte de carga y spin en materiales bidimensionales basados en Grafeno, así como en el impacto de la policristalinidad en el rendimiento de transistores de efecto campo diseñados con este tipo de materiales. Para este estudio se ha utilizado la metodología de transporte Kubo-Greenwood, la cual presenta grandes ventajas a la hora de realizar cálculos numéricos en sistemas microscópicos con el fin de obtener las propiedades de transporte de carga. Este trabajo cubre todos los tipos de desorden que pueden tener lugar en Grafeno, desde vacantes a la posible adsorción de especies químicas a lo largo de las fronteras de grano en el caso de Grafeno policristalino. Además tiene en cuenta importantes efectos cuánticos, como las interferencias cuánticas y los efectos debidos al acoplamiento spin-órbita intrínseco y extrínseco. Para el transporte de spin, se ha desarrollado un nuevo método basado en el formalismo de transporte en espacio real de orden O(N). Este nuevo método permite explorar y entender los mecanismos de relajación de spin en Grafeno y sus derivados. A partir de esta nueva metodología ha sido posible descubrir un nuevo mecanismo de relajación de spin basado en el acoplamiento entre spin y pseudospin (en presencia de un acoplamiento spin-órbita extrínseco o Rashba) que podría ser el mecanismo principal que gobierna la rápida relajación de spin observada experimentalmente en muestras de grafeno de alta calidad., This thesis is focused on modeling and simulation of charge and spin transport in two dimensional graphene-based materials as well as the impact of graphene polycrystallinity on the performance of graphene field-effect transistors. The Kubo-Greenwood transport approach has been used as the key method to carry out numerical calculations for charge transport properties. The study covers all kinds of disorder in graphene from vacancies to chemical adsorbates on grain boundaries of polycrystalline graphene and takes into account important quantum effects such as the quantum interferences and spin-orbit coupling effects. For spin transport, a new method based on the real space order O(N) transport formalism is developed to explore the mechanism of spin relaxation in graphene. A new spin relaxation phenomenon related to spin-pseudospin entanglement is unveiled and could be the main mechanism at play governing fast spin relaxation in ultra-clean graphene.

We analyze the electronic transport in a graphene nanodevice with a rectangular nanopore in the presence of different configurations molecules at the nanopore’s center. The behaviour of the electrons is described by the tight-binding method and the transport in the ballistic regime by the Landauer’s formula, where the electrical conductance is given by the transmission coefficient, which is determined using the non-equilibrium Green’s functions. The nanodevice is connected to two graphene semi-infinite contacts. The results show that the presence of molecules at the nanopore center produce resonance (antiresonance) in the profile of the transmission coeficient difference between nanodevice with and without molecule at the nanopore center. These resonances (antiresonances) are due to the coupling of the molecule discrete states and the continuum states of nanodevice also called as the Fano resonances. Analizamos el transporte electrónico en un nanodispositivo de grafeno con un nanoporo rectangular en la que se encuentran moléculas de diferentes configuraciones en el centro del nanoporo. El comportamiento de los electrones es descrito en la aproximación tight-binding y el transporte en el régimen balístico por medio de la fórmula de Landauer, donde la conductancia eléctrica es calculada a través del coeficiente de transmisión que se determina utilizando las funciones de Green retardadas de no-equilibrio. Consideramos que el nanodispositivo se encuentra conectada a dos contactos semi-infinitos también de grafeno. Los resultados muestran que la presencia de las moléculas en el nanoporo produce unas resonancias (antiresonancias) en el perfil de la diferencia del coeficiente de transmisión a través del nanodispositivo con y sin la presencia de las moléculas en el nanoporo. Estas resonancia (antiresonancias) se deben al acoplamiento de los autotestados discretos de las moléculas y los autoestados contínuos del nanodispositivo conocidos como resonancias de Fano.

In this work, we analyze the electron transport in rectangular conductors in which we insert a nanopore which restrict the carrier flux. Actually, to setup molecules at middle of the nanopore, we observe resonances and anti-resonances in the transmission coefficient when the molecule orientation is parallel or perpendicular to carrier flux. In our case, the conductor is described by a tight binding approximation, the transmission coefficients through the system are calculated by Landauer formula considering a ballistic regime at low temperatures and the out of equilibrium Green functions to permit us calculate the coupling of the leads with conductor including the nanopore and the molecules, recursively. The presence of the molecules at middle of the nanopore are described, also, by the tight binding approximation. En este trabajo analizamos el transporte electrónico en conductores rectangulares en las que se insertan nanoporos que restringen el flujo de portadores. Al colocar moléculas en los nanoporos se observa que existen resonancias y antiresonancias en los coeficientes de transmisión cuando las orientaciones de las moléculas son paralelas o perpendiculares al flujo de portadores. El conductor es descrito mediante el método de enlaces fuertes (tight-binding), el cálculo de los coeficientes de transmisión a través del sistema se realiza mediante la fórmula de Landauer en el régimen balístico a bajas temperaturas y las funciones de Green fuera del equilibrio nos permite determinar la influencia de los contactos semi-infinitos sobre el conductor con nanoporos mediante un algoritmo recursivo. La presencia de moléculas en las partes centrales de los nanoporos también son descritos por sítios en la aproximación de enlaces fuertes.

Analizamos el transporte electrónico en un nanodispositivo de grafeno con un nanoporo rectangular en la que se encuentran moléculas de diferentes configuraciones en el centro del nanoporo. El comportamiento de los electrones es descrito en la aproximación tight-binding y el transporte en el régimen balístico por medio de la fórmula de Landauer, donde la conductancia eléctrica es calculada a través del coeficiente de transmisión que se determina utilizando las funciones de Green retardadas de no-equilibrio. Consideramos que el nanodispositivo se encuentra conectada a dos contactos semi-infinitos también de grafeno. Los resultados muestran que la presencia de las moléculas en el nanoporo produce unas resonancias (antiresonancias) en el perfil de la diferencia del coeficiente de transmisión a través del nanodispositivo con y sin la presencia de las moléculas en el nanoporo. Estas resonancia (antiresonancias) se deben al acoplamiento de los autotestados discretos de las moléculas y los autoestados contínuos del nanodispositivo conocidos como resonancias de Fano., We analyze the electronic transport in a graphene nanodevice with a rectangular nanopore in the presence of different configurations molecules at the nanopore’s center. The behaviour of the electrons is described by the tight-binding method and the transport in the ballistic regime by the Landauer’s formula, where the electrical conductance is given by the transmission coefficient, which is determined using the non-equilibrium Green’s functions. The nanodevice is connected to two graphene semi-infinite contacts. The results show that the presence of molecules at the nanopore center produce resonance (antiresonance) in the profile of the transmission coeficient difference between nanodevice with and without molecule at the nanopore center. These resonances (antiresonances) are due to the coupling of the molecule discrete states and the continuum states of nanodevice also called as the Fano resonances.

En este trabajo se estudia el origen de las resonancias y antiresonancias en el espectro de transmisión de sistemas moleculares. La forma general del espectro para una conexión arbitraria de una dada molécula y en particular, la existencia y ubicación de antiresonancias se explican a partir de un conjunto de reglas que surgen de las propiedades de las funciones de Green. Estas reglas son luego interpretadas gráficamente, permitiendo anticipar la forma de la función de transmisión de una molécula mediante la inspección directa de las superficies de nivel de sus orbitales moleculares. We study the origin of the resonances and antiresonances in the transmission spectrum of molecular systems. The general form of the spectrum, for an arbitrary connection of a given molecule and, particularly, the existence and position of antiresonances, are explained in terms of a set of rules derived from the properties of the Green functions. These rules are afterwords, graphically interpreted, thus allowing one to determine the transmission function of a molecule from direct inspection of the isosurface plot of its molecular orbitals. Fil: Lovey, Daniel Adrián. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ciencias Exactas, Naturales y Agrimensura. Departamento de Fisica; Argentina; Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Nordeste. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica; Argentina; Fil: Romero, Rodolfo Horacio. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ciencias Exactas, Naturales y Agrimensura. Departamento de Fisica; Argentina; Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Nordeste. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica; Argentina

Under mesoscopic conditions, strong electron-electron interactions and weak electron-phonon coupling in graphene lead to an hydrodynamic behaviour of electron dynamics, resulting in unusual transport phenomena. During the last years, there have been several theoretical studies of macroscopic signatures of this collective cooperation of electrons. Here, we want to distinguish this hydrodynamic regime studying the conductance through a narrow geometrical constriction in graphene. To do so, we have fabricated high-quality, low-disorder graphene nano-constriction devices encapsulated by hexagonal boron nitride, where electron-electron scattering dominates impurity scattering. We carried out systematic four-probe conductance measurements on devices with different constriction widths as a function of carrier density and temperature. The observation of quantum transport phenomena that are inconsistent with the non-interacting ballistic free-fermion model suggests a macroscopic transport signature of electron viscosity. n condiciones mesoscópicas, las fuertes interacciones electrón-electrón, junto con el débil acoplamiento electrón-fonón en grafeno, dan lugar a un comportamiento hidrodinámico de la dinámica electrónica que resulta en fenómenos de transporte inusuales. Durante los últimos años ha habido varios estudios teóricos acerca de indicios macroscópicos de esta cooperación colectiva de los electrones. Aquí, intentamos distinguir este régimen hidrodinámico estudiando la conductividad a través de una estrecha constricción geométrica en grafeno. Para hacerlo, hemos fabricado dispositivos con nano-constricciones en grafeno, de alta calidad y bajo nivel de desorden, encapsulados en nitruro de boro hexagonal, en los que la dispersión electrón-electrón domina la dispersión por impurezas. Se llevaron a cabo medidas sistemáticas de la conductividad con cuatro sondas, en dispositivos con distintas anchuras de constricción, en función de la densidad de portadores y de la temperatura. La observación de fenómenos cuánticos de transporte que no son consistentes con el modelo balístico de fermiones libres sin interacción sugiere un indicio de transporte macroscópico de la viscosidad electrónica. Les fortes interaccions electró-electró conjuntament amb el dèbil acoblament electró-fonó al grafè en condicions mesoscòpiques provoquen un comportament hidrodinàmic de la dinàmica electrònica que resulta en fenòmens de transport inusuals. Durant els últims anys hi ha hagut diversos estudis teòrics que buscaven indicis macroscòpics d'aquesta cooperació col·lectiva dels electrons. En aquest treball intentem distingir aquest règim hidrodinàmic estudiant la conductivitat a través d'una constricció geomètrica estreta de grafè. Per fer-ho, hem fabricat dispositius amb nano-constriccions de grafè d'alta qualitat i baix nivell de desordre, encapsulats en dispositius de nitrur de bor hexagonal, en els quals la dispersió electró-electró domina sobre la dispersió per impureses. Es van prendre mesures sistemàtiques de la conductivitat emprant quatre sondes, en dispositius amb diferent amplada de constricció, i en funció de la densitat de portadors i de la temperatura. L'observació de fenòmens quàntics de transport que no són consistents amb el model balístic de fermions lliures sense interacció suggereix un indici de transport macroscòpic de la viscositat electrònica.

The study of light–matter interaction has drawn through the years more and more interest. With the improvement of the techniques used for building electromagnetic cavities, it is now possible to couple cavities with nanocircuits merging the fields of quantum optics and nanoelectronics.Not only that, but some experiments also reported the possibility to use a scanning tunneling microscope as a plasmonic cavity coupled with electronic transport. In this thesis a theoretical framework is proposed, based on mesoscopic quantum electrodynamics, for studying the coupling between electronic transport in a molecular junction and the electromagnetic field of a cavity. This thesis focuses on the sequential tunneling regime for the electrons and use density matrix approach. This allows to derive the master equation as well as a computational scheme to compute electronic current and the photon statistic when it is not possible to obtain analytical results. First, a single–level model for the molecule in the junction is studied. Indeed the electronic current induces a fluctuation of the charge on the molecule that couples with the electromagnetic field in the cavity. The investigations on this system are done in the experimentally relevant limit of large damping rate κ for the cavity mode and arbitrary strong light–matter coupling strength. This model shows the equivalence between the electron–photon coupling for a single level and the electron– phonon coupling that has long been studied in nanoelectronics known as the Franck–Condon principle. The current–voltage characteristics show steps, each separated by the energy of a photon, as the electron tunneling dissipate some energy in the cavity mode. In this work a formula has been derived for the electronic current taking into account the damping of the cavity. This allows to show that the width of the current’s steps are controlled by κ rather than the temperature. The single-level junction shows interesting light–emission regimes. At large bias voltage this theory predicts strong photon bunching of the order κ/Γ where Γ is the electronic tunneling rate. However, at the first inelastic threshold the theory predicts current–driven non–classical light emission from the single–level junction. Finally the investigation of the effect of a strong external drive of the cavity on the electronic current shows a quantization of the current that is linked to the Franck–Condon effect. Finally the theory is applied to a double–level model for the molecular junction inspired by quantum optics. In this scenario, the cavity mode couples to the electronic transition between the two states of the molecule. The effect of the charge fluctuations for each single electronic level is neglected. Therefore the coupling is a dipolar coupling in this case. The focus is mainly on the weak coupling regime. The electronic current shows the Rabi splitting due to the hybridization of the cavity mode and the molecule. Electronic tunneling can occur into these hybridized states and is responsible for light emission in the cavity in a iii single tunneling process. Light antibunching is seen in the weak coupling regime since our model predicts that only single photon emission is possible during a tunneling event in this case. Though the intermediate coupling regime is only briefly treated, the strong coupling regime is shown to be similar to two independent single level., El estudio de las interacciones entre luz y materia ha atraído un interés creciente a lo largo de los años. La mejora de las técnicas de fabricación de las cavidades electromagnéticas permite hoy conjugar las cavidades con nanocircuitos, combinando así los campos de la óptica cuántica y de la nanoelectrónica. Se añade a eso la posibilidad de usar un microscopio con efecto túnel a modo de cavidad plasmónica combinada con el transporte electrónico que fue demostrado en numerosas experiencias. Esa tesis propone un cuadro teórico basado en la electrodinámica mesoscópica, permitiendo el estudio de la combinación del transporte electrónico dentro de una unión molecular con el campo electromagnético de una cavidad. El foco se centra en el régimen túnel secuencial de los electrones, a cual está apto el uso de la matriz densidad para los cálculos. Ese régimen permite establecer ecuaciones claves que rigen el desarrollo temporal de la matriz densidad, tal como un esquema de cálculo numérico de la corriente electrónica y de la estadística de los fotones en la cavidad cuando no es posible obtener un resultado analítico. Primero se estudia un modelo de un solo nivel electrónico para la molécula. En efecto, la existencia de una corriente electrónica significa que la carga en la molécula fluctúa y esa fluctuación se combina con el campo electromagnético de la cavidad. El estudio de ese sistema se hace en el limite, experimentalmente pertinente, del ratio alto de la amortiguación κ del modo de la cavidad y del acoplo luz–materia arbitrariamente alto. Ese modelo demuestra la equivalencia del acoplo electrón– fotón para un nivel electrónico y el acoplo electrón–fonón que se ha estudiado desde hace mucho tiempo en el campo de la nanoelectrónica bajo el nombre del principio de Franck–Condon. La característica corriente– tensión del circuito hace aparecer una evolución de escalones, cada uno separado por la energía de un fotón. Eso corresponde a una disipación de energía por parte de los electrones al modo de la cavidad durante el proceso de transporte. En ese trabajo se derivó una ecuación para la corriente electrónica que toma en cuenta el efecto de la amortiguación de la cavidad. Esto demuestra que la anchura de los saltos en la corriente está controlada por κ más que por la temperatura. El modelo de un solo nivel muestra también regímenes inesperados de emisión de luz. En el límite de voltaje alto entre los electrodos de la unión molecular, la teoría predice una agrupación («bunching») de los fotones emitidos dentro de la cavidad. La correlación entre dos fotones emitidos alcanza un valor del orden de κ/Γ donde Γ es el ratio de tunelamiento de los electrones. Sin embargo, en el primer umbral de transferencia inelástica esa teoría iv predice una emisión de luz no-clásica provocada por la corriente electrónica. Por fin, el estudio del impacto de una fuerte excitación externa del modo de la cavidad muestra también una cuantización de la corriente relacionada al efecto Franck–Condon. Finalmente, la teoría desarrollada en esta tesis está aplicada también a una unión molecular de dos niveles electrónicos inspirada de la óptica cuántica. En ese escenario el modo de la cavidad está acoplado con la transición electrónica entre dos orbitales moleculares. El efecto de fluctuaciones de carga en cada orbital no se tiene en cuenta. Entonces en ese marco el acoplo es solo dipolar. Se centra la atención principalmente en el régimen del acoplo débil. La corriente electrónica muestra la huella de oscilaciones de Rabi como resultado de la hibridación del modo de la cavidad con la molécula. El transporte de electrones se puede ocurrir mediante estos estados híbridos. Entonces el traslado de un único electrón es responsable de la emisión de un fotón en la cavidad. Se observa el desagrupamiento («anti-bunching») de la luz emitida., L’étude de l’interaction entre la lumière et la matière n’a cessé de susciter un intérêt croissant au fil des années. L’amélioration des techniques de fabrication des cavités électromagnétiques permet aujourd’hui de coupler ces cavités à des nanocircuits, se faisant, combinant les champs de l’optique quantique et de la nanoélectronique. À cela s’ajoute enfin la démonstration expérimentale de la possibilité d’utiliser un microscope à effet tunnel comme cavité plasmonique couplée au transport électronique. Cette thèse propose un cadre théorique basé sur l’électrodynamique quantique en cavité, permettant l’étude du couplage entre le transport électronique dans une jonction moléculaire et le champ électromagnétique d’une cavité. L’attention est portée sur le régime de transfert tunnel séquentiel des électrons, auquel est adapté l’utilisation les calculs basés sur l’usage de la matrice densité. Ce régime permet d’établir les equations maîtresses régissant l’évolution temporelle de la matrice densité, ainsi qu’un schéma de calcul numérique du courant électronique et des propriétés statistiques des photons dans la cavité quand il n’est pas possible d’obtenir un résultat analytique. Dans un premier temps, l’attention est portée sur un modele de jonction moléculaire à une orbitale. En effet, l’existence d’un courant électronique signifie que la charge de la molécule fluctue et cette fluctuation se couple au champ électromagnétique de la cavité. L’étude de ce premier système est faite dans le régime, expérimentalement pertinent, de fort taux d’amortissement κ ≥ kBT du mode de la cavité et de couplage lumière–matière arbitrairement élevé. Ce modèle met en évidence l’équivalence du couplage électron–photon et du couv plage électron–phonon pour un unique niveau électronique. Ce couplage électron–phonon est étudié depuis longtemps en nanoélectronique sous le nom de principe Franck–Condon. La caractéristique courant–tension du circuit fait apparaitre une évolution par paliers ou seuils inelastiques, chacun séparé par l’énergie d’un photon. Ce phénomène correspond à une dissipation d’énergie, par émission de photons dans la cavité, médiée par le courant électronique. Pour cette étude, une formule du courant électronique prenant en compte l’effet de l’amortissement de la cavité(facteur de qualité Q ≈ 10) a été dérivée. Cela a permis de montrer que la largeur des sauts du courant est contrôlée par κ plutôt que la température. Ce modèle démontre la possibilité d’obtenir divers régimes d’émission de lumière par passage de courant au sein de la jonction. Pour une importante différence de potentiel entre les électrodes de la jonction, cette théorie prédît un important groupement («bunching») des photons émis dans la cavité. La fonction de corrélation de deux photons à temps égaux g(2)(0) atteint alors une valeur de l’ordre de κ/Γ, où Γ est le taux de transfert tunnel des électrons. En revanche, au premier seuil de transfert inélastique des électrons, cette théorie prédît une émission de lumière non–classique provoquée par le courant électronique moléculaire à un niveau (la jonction se comporte alors comme une source à un photon). Enfin, nous avons montré qu’en présence d’une source de voltage dépendant du temps appliqué à la cavité, le courant dc présente des paliers analogues à ceux obtenus dans le régime Franck–Condon. La théorie développée dans cette thèse est ensuite appliquée à une jonction moléculaire à deux niveaux électroniques. Dans ce scénario, le mode de la cavité se couple à la transition électronique entre les deux orbitales moléculaires. L’effet des fluctuations des charges de chaque orbitale est négligé. Dans ce cadre, nous avons étudié le cas d’un couplage cavité-molécule de type dipolaire électrique. L’attention est portée principalement sur le régime de couplage faible entre le dipole de la molécule et le mode de la cavité. [...]