Corrélations Hanbury-Brown et Twiss aux temps courts de faisceaux monoélectroniques dans les conducteurs ballistiques
François Parmentier (LPA)

Infos Complémentaires

Département de Physique de l’Ecole Normale Supérieure
salle D5 (2ème étage)
24 rue Lhomond
75005 Paris

Vendredi 26 novembre à 14h30

Résume :

Cette thèse est consacrée à l’étude des corrélations de courant de faisceaux mono-électroniques dans un conducteur quantique balistique. Nous utilisons une capacité mésoscopique comme source d’électrons uniques afin d’émettre à la demande des charges dans un canal de bord de l’effet Hall quantique. En présence d’une forte tension d’excitation radiofréquence, la source émet périodiquement un électron unique suivi d’un trou, générant un courant alternatif quantifié en unités de 2ef_0, où f_0 est la fréquence d’excitation. Nous avons mesuré le bruit émis par la source, et mis en évidence une limite de bruit haute fréquence fondamentale, appelée jitter quantique, qui est la signature de l’émission de charges uniques. Les mesures sont en très bon accord avec un modèle heuristique décrivant le système comme une source d’électrons uniques parfaite, ainsi qu’avec un modèle plus raffiné de diffusion des ondes électroniques. Nous avons également mesuré les autocorrélations des fluctuations du courant après partition par un contact ponctuel quantique jouant le rôle de lame séparatrice électronique. Cette géométrie, analogue électronique de l’expérience de Hanbury-Brown et Twiss en optique quantique, permet de quantifier la qualité de l’émission de particules uniques. Dans un conducteur ballistique, cette géométrie permet en outre de compter le nombre d’excitations générées à chaque cycle, ainsi que de mesurer leur distribution en énergie.

Ces deux expériences constituent les premières réalisations d’expériences d’optique quantique électronique avec des charges uniques. Elles permettent d’envisager des expériences plus complexes, comme la collision de deux charges, et la tomographie d’un électron unique.

Abstract :

This thesis is devoted to the study of current correlation of single-electron beams in a ballistic quantum conductor. A mesoscopic capacitor is used as an on-demand single electron emitter to emit single charges in a quantum Hall effect edge channel. When driven by a large high-frequency excitation voltage, the source periodically emits a single electron followed by a single hole, thus generating a quantized AC current in units of 2ef_0, where f_0 is the drive frequency. We have measured the autocorrelation of the current fluctuations emitted by the source, putting into light a fundamental high-frequency noise limit, called quantum jitter, which is the signature of single particle emission. The measurements are in excellent agreement with both a heuristic model describing the mesoscopic capacitor as a perfect emitter, and more sophisticated time-dependent scattering model. We have also measured the autocorrelation of the current fluctuations after partition by a quantum point contact acting as an electronic beam-splitter. This geometry is the electronic analog of the quantum optics Hanbury-Brown and Twiss experiment, allowing to characterize the accuracy of single-particle emission. In a ballistic conductor, this geometry furthermore allows to measure the number of excitations generated per cycle, as well as to measure their energy distribution.

These two experiments are the first realizations of single-charge electron quantum optics experiments, paving the way to more complex experiments such as two-particle collisions and single charge tomography.

Département de Physique de l’Ecole Normale Supérieure
salle D5 (2ème étage)
24 rue Lhomond
75005 Paris