Etude de la décohérence de paquets d’onde mono-électroniques dans les canaux de bord de l’effet Hall quantique entier
Vincent Freulon (LPA)

Résumé

Cette thèse est consacrée à l’étude de la décohérence de paquets
d’onde mono-électroniques injectés dans un conducteur quantique
balistique. Les paquets d’onde sont générés à l’aide d’une capacité
mésoscopique, utilisée comme source d’électrons uniques, qui sont émis à
la demande dans le canal
de bord externe de l’effet Hall quantique entier. Deux telles sources
indépendantes et synchronisées sont positionnées sur les bras d’entrée
d’une lame séparatrice électronique. La mesure des fluctuations (bruit) du
courant dans les bras de sortie permet de caractériser les interférences à
deux électrons se produisant sur la lame sépratrice. De cette manière, on
réalise l’analogue électronique de l’interféromètre de Hong-Ou-Mandel
(HOM). Il apparaît que le contraste de la figure d’interférence dépend de
la forme des paquets d’onde injectés. Cette perte de cohérence est imputée
au couplage capacitif, dû à l’interaction coulombienne, entre le canal de
bord externe et les autres canaux de bord copropageants, qui constituent
un environnement contrôlé pour le canal externe. Afin de valider cette
hypothèse, une seconde expérience est réalisée. La capacité mésoscopique y
est utilisée dans un autre régime de fonctionnement, dans lequel elle
permet de générer une excitation collective de la densité de charge du
canal externe, appelée magnéto-plasmon de bord. En caractérisant la
propagation du magneto-plasmon de bord en fonction de la fréquence
d’excitation, on peut sonder l’interaction Coulombienne entre deux canaux
de bord. Ces mesures montrent que cette interaction est responsable de
l’apparition de deux modes propres de la propagation : un mode "chargé"
rapide et un mode "neutre" lent. Elles permettent de caractériser
quantitativement la vitesse de propagation du mode neutre. Les résultats
de cette seconde expérience sont ensuite utilisés pour établir que la
perte de contraste, observée dans l’expérience HOM, est essentiellement
due à l’interaction entre canaux de bord. Ce couplage est responsable de
la destruction des quasi-particules injectées par la source, un électron
se séparant (ou fractionalisant) en deux pulses de charge e/2 au fil de sa
propagation. Durant le processus de fractionalisation, l’état généré dans
le canal de bord externe s’intrique avec son environnement (canaux de bord
co-propageants) entraînant la réduction du contraste dans l’expérience
HOM. Ces observations ouvrent la voie à de nouvelles expériences plus
complexes telles que la tomographie de l’état du paquet d’onde sur la lame
séparatrice (pour valider complètement le scénario de destruction des
quasi-particules) ou la protection de la cohérence de l’état dans le canal
de bord externe.