Interférométrie de Mach Zehnder et manipulation cohérente de la vallée dans une jonction pn dans une monocouche de graphène

Mach Zehnder interferometry and coherent manipulation of the valley in a graphene PN junction

• Auteur / Autrice : Paul Brasseur
• Direction : Patrice Roche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Mark Oliver Goerbig
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dmitri Efetov, Romain Danneau, Rebeca Ribeiro-Palau, Benoît Hackens, Clément Faugeras
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dmitri Efetov, Romain Danneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de spin

Graphène

Optique quantique électronique

Interféromètres

Mots clés libres

Interférométrie de Mach Zehnder

Optique quantique électronique

Graphène

Vallée-tronique

Mach Zehnder interferometry

Electron quantum optics

Graphene

Valleytronics

Résumé

L’optique quantique électronique, i.e. la réalisation de l’analogue électronique d’expériences d’optique quantique, constitue un champ de recherche récent, en plein développement, et offrant des perspectives intéressantes pour l’informatique quantique. Dans ce cadre, l’un des enjeux est la réalisation de bits quantiques en utilisant des états électroniques, ainsi que la formation d’états électroniques intriqués, éléments de bases pour réaliser des calculs quantiques plus élaborés. Les expériences menées jusqu’à présent dans des hétérostructures semi-conductrices de GaAs/AlGaAs ont mis en évidence la possibilité d’encoder l’information dans la charge ou le spin d’un électron, mais la décohérence importante de ces systèmes induit une grande fragilité de ces états quantiques, qui ne peuvent exister qu’en-dessous de 100mK et pour des tensions résiduelles inférieures à 40μV. Cette fragilité rend difficile la fabrication d’états intriqués, et est limitante pour le développement de calculs quantiques complexes. En 2005, la découverte d’un matériau novateur, le graphène, a ouvert de nouvelles perspectives avec la prédiction d’une cohérence de phase plus grande, et, d’autre part, l’existence en plus du spin d’un nouveau degré de liberté, la vallée, donnant accès à de nouvelles possibilités pour encoder l’information. Dans un premier temps, ce travail de thèse porte sur la manipulation cohérente de la vallée, nécessaire à la réalisation d’un bit quantique de vallée dans le graphène. Pour cela est utilisée, en régime Hall quantique, une jonction pn, formée à l’aide de grilles déposées sur un échantillon de graphène encapsulé dans du nitrure de Bohr. Afin d’obtenir un contrôle électrostatique sur la polarisation en vallée des électrons incidents, des grilles locales ont été déposées, à l’intersection de la jonction pn avec le bord physique du graphène. En alliant ce contrôle électrostatique à celui de la phase Aharanov-Bohm, il nous est possible de manipuler de manière cohérente la vallée d’un électron sur l’ensemble de la sphère de Bloch représentant la polarisation en vallée. Dans la suite, la cohérence des états quantiques formés est étudiée grâce à un interféromètre de Mach Zehnder, via l’observation de la dépendance des interférences en fonction de la tension appliquée sur les électrons incidents, et de la température du système. Les états quantiques obtenus sont exceptionnellement résistants, ils persistent au-delà de 1.5K et de 1mV, soit à des énergies près de 20 fois supérieures à celles observées dans le GaAs/AlGaAs.Puis, ce manuscrit décrit l’étude de la longueur de cohérence, correspondant à la distance sur laquelle un électron peut se propager en gardant sa cohérence de phase, ce qui n’avait encore jamais été mesuré dans le graphène. Pour ce faire, la dépendance des interférences vis-à-vis de la température a été mesurée sur trois jonctions pn de longueurs différentes. Une longueur de cohérence a ainsi été extraite pour les deux régimes de décohérence observés ; dont une record, pour le régime à basses températures, de plus de 374μm à 20mK. Pour finir, est investigué un des mécanismes causant la décohérence dans le système : les ondes de spin, se propageant lorsque le cœur du graphène est magnétique. Ainsi, au cours de ce projet, nous avons mis en évidence la possibilité d’encoder de l’information dans la vallée, ouvrant la voie vers un nouveau domaine : la vallée-tronique. D’autre part, la cohérence du système est exceptionnelle, permettant d’envisager la réalisation d’états intriqués grâce à une géométrie de double Mach Zehnder. Cela offre des perspectives prometteuses du point de vue de l’informatique quantique, mais aussi d’un point de vue fondamental avec la possibilité de démontrer pour la première fois, avec des fermions, la validité des prédictions de l’interprétation de Copenhague de la physique quantique dans le cadre du paradoxe EPR.

Electron quantum optics, i.e. the realization of the electronic analogue of quantum optics experiments, represents a developing and recent research field, offering interesting perspectives for quantum computing. In this context, one of the main stakes is the achievement of quantum bits using electronic states, as well as the creation of entangled electronic states, which are the building blocks to achieve complex quantum computations. Up to now, the experiments carried out in semi-conducting GaAs/AlGaAs heterostructures exhibited the possibility to encode information in the charge or the spin of an electron, but strong decoherence in these systems implies a great weakness of these quantum states, which survives only below temperatures of 100mK and electrical biases of 40μV. This fragility makes it difficult to achieve entangled states and limits the development of complex quantum computations. In 2005, the discovery of a novel material, graphene, opened new prospects with on one hand the prediction of a larger phase coherence, and on the other hand the existence, in addition to the spin, of a new degree of freedom, named the valley, giving access to new possibilities to encode information. In a first part, this PhD work deals with the coherent manipulation of the valley, which is necessary to achieve a valley quantum bit in graphene. For this aim, we used, in the quantum Hall regime, a graphene pn junction, formed thanks to gates deposited on top of a stack composed of a graphene sheet encapsulated in Boron nitride crystals. In order to obtain an electrostatic control of the valley polarization of incoming electrons, we deposited local gates at the intersections between the pn junction and the graphene physical edge. Associating this electrostatic control to a tuning of the Aharanov-Bohm phase, we can coherently manipulate the valley of an electron over the whole states described by a valley Bloch sphere. In what follows, the coherence of the quantum states is investigated thanks to Mach Zehnder interferometry, by measuring the interferences dependence on the chemical potential of incoming electrons and on the temperature of the system. The quantum states formed are exceptionally steady, they persist up to 1.5K and 1mV, in other words at energies 20 times higher than what was observed in GaAs/AlGaAs.Then, the manuscript describes the study of the coherence length, i.e. the distance on which an electron can propagate while keeping its phase coherence, which has never been measured in the quantum Hall regime in graphene. To that end, the interferences dependence on the temperature was measured in three pn junctions of different lengths. By doing so, two coherence lengths, corresponding to two different regimes of decoherence, were extracted; in the regime occurring at low temperature, a record value of 374μm at 20mK was obtained.Finally, we investigated one of the mechanisms of decoherence in our system: spin waves, propagating in the graphene bulk when it is magnetized. During this project, we have shown the possibility to encode information in the valley and to manipulate coherently this degree of freedom, paving the way towards a new domain: the valleytronics. Furthermore, the coherence of the system is exceptional, enabling to envision the achievement of entangled electronic states by using a double Mach Zehnder interferometer geometry. This opens promising prospects for quantum computing, but also for fundamental purposes, with the possibility to demonstrate, for the first time with fermions, the validity of the Copenhagen interpretation of quantum physics within the EPR paradox framework.