Source mésoscopique à quelques électrons par pulses de tension

Mesoscopic few-electron voltage pulse source

• Auteur / Autrice : Thibaut Jullien
• Direction : Denis-Christian Glattli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/04/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique de la région parisienne (....-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Simon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis-Christian Glattli, Pascal Simon, Charles Marcus, Christian Flindt, Xavier Waintal, Marc Sanquer, Preden Roulleau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charles Marcus, Christian Flindt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits électroniques -- Bruit

Excitation électronique

Quasi-particules

Systèmes mésoscopiques

Mots clés libres

Source à la demande

Pulses de tension

Excitation élémentaire

Bruit de grenaille photo-assisté

On-demand source

Voltage pulses

Elementary excitation

Photo-assisted shot noise

Résumé

La génération à la demande d'excitations quantiques dans un état contrôlé permet la construction de systèmes quantiques de plus en plus complexe. Cependant, la réponse collective de la mer de Fermi à une perturbation comprend généralement à la fois des électrons et des trous, ce qui rend la manipulation d'un nombre limité de degrés de liberté difficile. Une méthode permettant de générer une excitation élémentaire résolue en temps dans un conducteur cohérent unidimensionnel a été proposée : l'application de pulses de tension de forme lorentzienne. Un pulse Vp(t) de forme quelconque injecte un nombre fini de paires électron-trou. La seule possibilité de supprimer les trous et de laisser la mer de Fermi intacte est d'appliquer des pulses lorentziens dont le flux est quantifié. Les paquets d'onde transférés sont des quasi-particules et appelés Levitons. Ils ont des propriétés statistiques remarquables : ils minimisent le bruit de grenaille. Dans cette thèse, on étudie la génération de ces objets et on démontre que des pulses lorentziens constituent une source d'électrons à la demande. Des pulses GHz sont appliqués sur un contact ponctuel quantique (QPC) semi-réfléchissant et refroidi au-dessous de 50mK. Le bruit de grenaille photo-assisté (PASN) généré est proportionnel au nombre total d'électrons et de trous, ce qui permet de tester la source. Le PASN permet également de déterminer la distribution en énergie et le profil temporel des paquets d'onde.

The on-demand generation of well-controlled quantum excitations leads to the operation of increasingly complex quantum systems. However, the collective response of the Fermi sea to a perturbation typically includes holes and electrons and the control of a few degrees of liberty is difficult to achieve. A means of generating a time-resolved elementary excitation through short-time voltage pulses Vp(t) applied on the contacts of a one-dimensional coherent conductor has been predicted. For most voltage pulses, a finite number of neutral electron-hole pairs are injected. The only possibility to suppress hole-generation, which means that the Fermi sea appears unmodified, is through lorentzian-shaped voltage pulses with quantized flux. The transferred quantum states, termed levitons, have strikingly simple statistical properties: they minimize the shot noise when impinging a static potential barrier. In this thesis, we study the generation of this states and show that lorentzian pulses implement an on-demand electron source. GHz pulses are applied on a partially-transmitting quantum point contact (QPC) below 50mK and realized from a two-dimensional electron gas in a GaAs/AlGaAs heterostructure. The resulting Photo-Assisted Shot Noise (PASN) is proportional to the number of electrons and holes, thus testing the source properties. Additional characterizations performed with the PASN include the energy distribution of the excitations and their time-domain extension.