Time-resolved measurements of collective effects in quantum conductors

par Everton Arrighi

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Christopher Bauerle.

Soutenue le 07-02-2020

à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Serge Florens.

Le jury était composé de Anne Anthore, Xavier Waintal.

Les rapporteurs étaient Masaya Kataoka, Gwendal Fève.

  • Titre traduit

    Mesures résolues en temps des effets collectifs dans les conducteurs quantiques


  • Résumé

    La dynamique d'un système quantique est très sensible à la dimensionnalité. Alors que les systèmes électroniques à deux dimensions forment les liquides de Fermi, les systèmes à une dimension - les liquides de Tomonaga – Luttinger - sont décrits par des excitations purement bosoniques, même s’ils sont initialement constitués de fermions. Avec l'avènement de sources cohérentes à un seul électron, la dynamique quantique d'un tel liquide est maintenant accessible au niveau d'un seul électron.Dans ce travail de thèse, nous étudions le cas le plus général où le système peut être réglé en continu d’un liquide à un canal Tomonaga – Luttinger à un liquide de Fermi à plusieurs canaux dans un système non chiral. Nous utilisons des techniques de mesure résolues en temps pour déterminer le temps de vol d'un pulse électronique à un seul électron et extraire la vitesse d'excitation de la charge collective.L'analyse de la vitesse de propagation permet de révéler les effets collectifs qui régissent la physique dans notre système quasi unidimensionnel. Notre modélisation détaillée de l'électrostatique de l'échantillon nous permet de construire et de comprendre les excitations du système dans une théorie sans paramètres. Nous montrons que nos calculs auto-cohérent explique bien les mesures et valident la construction des modes collectifs bosoniques à partir des degrés de liberté fermioniques.Le contrôle temporel présenté des impulsions à un seul électron au niveau de la picoseconde sera également important pour la mise en œuvre d'architectures de guide d'ondes pour les qubits volants utilisant un seul électron. L’intégration d’une source de leviton dans un interféromètre à guide d’ondes permettrait de réaliser des architectures de qubits volants à un électron similaires à celles utilisées en optique quantique linéaire. De plus, nos études ouvrent la voie à l’étude de la dynamique en temps réel d’un dispositif nanoélectronique quantique, telle que la mesure de l’étalement temporel ou de la dynamique de fractionnement de la charge du paquet d’ondes électroniques pendant la propagation.


  • Résumé

    Quantum dynamics is very sensitive to dimensionality. While two-dimensional electronic systems form Fermi liquids, one-dimensional systems—Tomonaga–Luttinger liquids—are described by purely bosonic excitations, even though they are initially made of fermions. With the advent of coherent single-electron sources, the quantum dynamics of such a liquid is now accessible at the single-electron level.In this PhD work, we study the most general case where the system can be tuned continuously from a clean one-channel Tomonaga– Luttinger liquid to a multi-channel Fermi liquid in a non-chiral system. We use time-resolved measurement techniques to determine the time of flight of a single-electron voltage pulse and extract the collective charge excitation velocity. Analysing the propagation velocity allows to reveal the collective effects that govern the physics in our quasi one-dimensional system. Our detailed modelling of the electrostatics of the sample allows us to construct and understand the excitations of the system in a parameter-free theory. We show that our self-consistent calculations capture well the results of the measurements, validating the construction of the bosonic collective modes from the fermionic degrees of freedom.The presented time control of single-electron pulses at the picosecond level will also be important for the implementation of wave-guide architectures for flying qubits using single electrons. Integrating a leviton source into a wave-guide interferometer would allow to realise single-electron flying qubit architectures similar to those employed in linear quantum optics. Furthermore, our studies pave the way for studying real-time dynamics of a quantum nanoelectronic device such as the measurement of the time spreading or the charge fractionalisation dynamics of the electron wave packet during propagation


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