Transport RF à travers une barre Hall mésoscopique couplée à des résonateurs micro-ondes sur puce

RF-Transport through Mesoscopic Hall Bar coupled to On-Chip Microwave Resonators

• Auteur / Autrice : Paras Seth
• Direction : Patrice Roche, Carles Oriol Altimiras Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/03/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA/SPEC - Service de Physique de l'Etat Condensé
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Anthore
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabian Hassler, Erwann Bocquillon, Benjamin Piot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabian Hassler, Erwann Bocquillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes mésoscopiques

Hall quantique, Effet

Mesures microondes

Radiofréquences

Mots clés libres

Transport mésoscopique

Micro-ondes

Effet Hall quantique

Bruit de grenaille

Mesoscopic transport

Microwaves

Quantum Hall Effect

Shot noise

Résumé

Dans cette thèse, la dynamique des circuits mésoscopiques en régime Quantum Hall a été étudiée. Nous disposons d'un gaz électronique de taille mésoscopique qui est fixé galvaniquement aux résonateurs micro-ondes sur puce. Ces résonateurs assurent l'adaptation d'impédance et nous ont ainsi permis d'explorer la physique de notre dispositif à hautes fréquences en régime de réponse linéaire. Nous avons mesuré l'impédance haute fréquence de ce circuit mésoscopique dans le régime Quantum Hall. Les résultats de la recherche ont montré qu'aux fréquences de 4 à 8 GHz, le système chiral (électron gazeux) se comporte comme un transformateur d'impédance, avec ses règles spécifiques dictées par la chiralité due à l'effet Hall quantique. En particulier, le transport à travers les états périphériques peut être décrit comme celui passant par une ligne de transmission unidirectionnelle. Pour les champs magnétiques où la fraction de remplissage est un nombre entier allant de 10 à 2, les excitations collectives (Edge-magnétoplasmons) ont une relation de dispersion linéaire et se propagent ainsi avec une vitesse linéaire avec la conductance de Hall. Les ondes de courant et de tension acquièrent une phase de propagation simple lorsqu'elles traversent l'appareil. Lors de l'exploration du plateau ν=2, nous avons expliqué les données en supposant un modèle de dissipation ohmique, où la conductance par unité de longueur varie en fonction du champ magnétique à travers le plateau. Lorsqu'un centre de diffusion tel que Quantum Point Contact est utilisé, les choses sont alors légèrement compliquées, mais fondamentalement, en suivant les règles générales de la théorie de la diffusion et en incorporant la propagation de phase des plasmons, cela peut être expliqué. A partir de la mesure du champ zéro, nous avons pu caractériser la résistance interne de nos résonateurs et déterminer le gain de la chaîne RF complète. Nous avons ensuite étudié le bruit haute fréquence émis par le Quantum Point Contact dans la chaîne de détection dans différentes configurations d'échantillons. Cela a permis de comprendre le couplage micro-onde du bruit émis par le QPC à la chaîne de détection. Grâce à la nature à haute impédance de ces résonateurs sur puce, le couplage est relativement meilleur qu'avec une ligne de seulement 50 ohms, augmentant ainsi le S.N.R et réduisant le temps de mesure. Au cours de cette étude, nous avons également observé une dissipation dans le canal de bord le plus interne, entraînant une perte de puissance de bruit par rapport au canal de bord externe. Nos résultats montrent ici que pour une configuration à 3 points, le couplage du bruit est indépendant de la phase acquise par le signal de bruit lors du passage du QPC aux résonateurs. En effet, il n'y a pas de retour des fluctuations de courant qui sont réinjectées dans le système, en raison des masses sur la puce. Cependant, dans une configuration à 2 points, il n'y a pas de masse sur puce. Cela conduit à un retour classique des fluctuations sur le QPC, faisant de la phase de propagation une grandeur importante. En effectuant des ajustements basiques avec les données expérimentales, nous avons pu extraire la valeur de la phase acquise. Dans une troisième série d'expériences, nous avons exploré la rétro-action quantique des résonateurs sur le QPC, du fait que la rétroaction par les fluctuations du point zéro sur le QPC est toujours présente et que ces fluctuations sont plus importantes en raison de la grande impédance caractéristique des résonateurs. La réduction observée de la conductance différentielle est un peu surprenante. Nous soupçonnons qu'en raison de la taille finie du gaz d'électrons entre QPC et les résonateurs, il se produit une transformation d'impédance de l'oscillateur LC, modifiant ainsi la nature de l'impédance de l'environnement. Actuellement, il est encore à l'étude.

In this thesis, dynamics of mesoscopic circuits in Quantum Hall regime have been studied. We have a mesoscopic size electron gas that is galvanically attached to On-chip microwave resonators. These resonators provide impedance matching and thus has allowed us to explore the physics of our device at High frequencies in Linear response regime. We have measured high-frequency Impedance of this mesoscopic circuit in Quantum Hall Regime. The research finding have shown that at 4-8 GHz frequencies, the chiral system (electron gas) behaves like an impedance transformer, with its specific rules dictated by the chirality due to Quantum Hall Effect. In particular, the transport through the edge states can be described as the one through a uni-directional transmission line. For Magnetic fields where filling fraction is an integer ranging from 10 to 2, the collective excitations (Edge-magnetoplasmons) have linear dispersion relation and thus propagate with velocity which is linear with Hall conductance. The current and voltage waves acquire a simple propagation phase when going through the device. When exploring within ν=2 plateau, we have explained the data by assuming an ohmic dissipation model, where the conductance per unit length varies with Magnetic field across the plateau. When a scattering center like Quantum Point Contact is used, then things are slightly complicated, but basically by following the general scattering theory rules and incorporating the phase propagation of plasmons, it can be explained. From the Zero field measurement, we have been able to characterize our resonators' internal resistance and determine the Gain of the full RF chain. We then have studied the high-frequency noise emitted by the Quantum Point Contact into the detection chain in different sample configurations. This has resulted in understanding the microwave coupling of the noise emitted from the QPC to detection chain. Thanks to High-impedance nature of these On-Chip resonators, the coupling is relatively better than having just 50 ohm line, thereby, increasing S.N.R and reducing measurement time. During this study, we have also observed dissipation in inner-most edge channel, resulting in loss of noise power from it as compared to outer edge channel. Our findings show here that for 3point setup configuration, the coupling of the noise is independent of the phase acquired by the noise signal when traversing from QPC to the resonators. This is because there is no feedback of the current fluctuations that gets injected back to the system, due to on-chip grounds. In 2-point setup, however, there is no On-chip ground. This leads to classical feedback of the fluctuations onto the QPC, making the propagative phase an important quantity. By making basic fits with experimental data we have been able to extract the value of the acquired phase. In third set of experiments, we have explored the Quantum Back-action of the resonators onto the QPC, owing to the fact that feedback by zero-point fluctuations on QPC is always there, and that these fluctuations are larger due to large characteristic impedance of the resonators. The observed reduction of differential conductance are a bit surprising. For one thing, the effects are seen at bias values which is equivalent of energy quantum of the resonator and that these observed effects are not as strong as one would expect from nature of electromagnetic environment (value of charactersitic impedance etc.). We suspect that due to finite size of the electron gas between QPC and the resonators, there is an impedance transformation of the LC oscillator, thereby, changing the impedance nature of the environment. Currently, it is still being explored.