Transport et statistiques d'anyons dans le régime de l'effet Hall quantique

Transport and statistics of anyons in the quantum Hall regime

• Auteur / Autrice : Pierre Glidic
• Direction : Anne Anthore, Frédéric Pierre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/11/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Degiovanni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Degiovanni, Erwann Bocquillon, Mitali Banerjee, Bernd Rosenow
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Degiovanni, Erwann Bocquillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz d'électrons

Anyons

Effet hall quantique fractionnaire

Systèmes mésoscopiques

Mots clés libres

Physique mésoscopique

Effet Hall Quantique

Statistique fractionnaire

Anyons

Magneto-Plasmon

Gaz bidimensionnel d'électrons

Mesoscopic physics

Quantum Hall Effect

Fractional statistics

Anyons

Magnetoplasmon

Two-Dimensional electron gas

Résumé

Cette thèse de doctorat étudie expérimentalement les propriétés exotiques des quasi-particules dans des conducteurs bidimensionnels en régime d'effet Hall quantique. Sous l'effet des interactions coulombiennes dans des systèmes de basse dimensionnalité, des excitations non conventionnelles peuvent apparaître : des ''anyons'', dotées d'une charge fractionnaire et d'une statistique d'échange intermédiaires entre celle des fermions et celle des bosons. L'effet Hall quantique fractionnaire (EHQF), où le courant électrique circule de manière chirale le long de canaux de bord unidimensionnels, constitue un système adapté à l'étude d'une telle physique exotique. Ainsi, durant ces quatre dernières décennies, les quasi-particules anyoniques de l'EHQF et leurs potentielles applications en informatique quantique ont suscité d'intenses études théorique et expérimentales dans de tels systèmes. Mais ce n'est que très récemment que des signatures expérimentales claires de leur statistique d'échange non triviale ont été mises en évidence. Dans ce travail de thèse, ces anyons sont spécifiquement étudiés dans une géométrie de type ''source-analyseur'', qui combine plusieurs contacts ponctuels quantiques mis en série et qui a récemment été identifiée comme un dispositif très riche pour sonder cette physique exotique. Tout d'abord, nous mettons expérimentalement en évidence un processus de transport non conventionnel de type ''réflexion d'Andreev'' dans l'EHQF à un facteur de remplissage nu=1/3. Dans un tel régime dit ''de Laughlin'', ce processus met en jeu une quasi-particule de charge e/3 arrivant sur une barrière tunnel réglée pour favoriser de transfert de charge e. La quasi-particule incidente est alors convertie en une quasi-particule transmise, de charge e, et un quasi-trou de charge -2e/3 simultanément réfléchi. Dans un second temps, des signatures expérimentales d'une statistique d'échange anyonique sont mesurées via le bruit de grenaille d'une part dans la fraction de Laughlin nu=1/3 et d'autre part dans la fraction de Jain nu=2/5. Enfin, ces même signature d'excitations non conventionnelles sont étudiées dans l'effet Hall quantique entier, à nu=2, dans lequel les excitations électroniques sont fractionnées sous l'effet des interactions inter-canaux en un mode neutre et un mode chargé. La dernière partie de cette thèse clarifie le lien entre les corrélations croisées des fluctuations de courant et la statistique anyonique des quasi-particules ainsi fractionnées.

In this PhD work, we experimentally study the exotic properties of quasiparticles in two-dimensional quantum Hall conductors. ''Anyons'', quasiparticles, resulting from Coulomb interactions in low dimensional systems, are unconventional excitations with fractional charge and exchange statistics intermediate between fermions and bosons. The fractional quantum Hall regime where current only flows along chiral one-dimensional edge channels is a good platform to implement such exotic physics. Accordingly, quantum Hall anyon quasiparticles and their potential applications for quantum computing have triggered intense theoretical and experimental work in the last four decades but it is only very recently that strong signatures of their non-trivial exchange statistics were found. Here, such anyons are specifically investigated in ''source-analyzer'' setups, which combines several Quantum Point Contact constrictions in series and which has recently been identified as a versatile platform to probe this exotic physics. First, an unconventional ''Andreev-like'' reflection of anyons is demonstrated in the emblematic nu=1/3 Laughlin's fractional quantum Hall regime. This process involves an incident anyon impinging on a tunnel barrier that favors the transfer of charge e. The incident quasiparticle is converted into a transmitted quasiparticle of charge e and a simultaneously reflected quasihole of charge -2e/3. Then, signatures of anyon non-trivial exchange statistics are measured both in the nu=1/3 Laughlin state and in the more complex nu=2/5 Jain's state through auto- and cross-correlations of current. Finally, noise signatures of unconventional excitations are investigated in the nu=2 integer quantum Hall regime where inter-channel interactions fractionalize electronic excitations into one slow neutral mode and one fast charged mode. The last part of this thesis clarifies the link between the cross-correlations of current fluctuations and the anyonic statistics of the fractionalized quasi-particles.