Cohérence quantique à énergie finie en électronique quantique

par Ramiro Rodriguez

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Patrice Roche.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Service de Physique de l'Etat Condensé (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 02-11-2015 .


  • Résumé

    Depuis une décennie, il est possible de réaliser en la matière condensée, les expériences de la optique quantique avec des électrons au lieu de photons. Le mouvement balistique des électrons est obtenue dans le régime de "Hall Quantique Entier" lors de l'application d'un haute champ magnétique perpendiculaire à un gaz d'électrons bidimensionnel avec haute mobilité dans GaAs/GaAlAs. Dans un tel régime, le transport de charge se fait par un faiseau chiraux unidimensionnel localisées du bord de l'échantillon: les états de bord. Les séparateurs de faisceaux optiques sont remplacés ici par "split-gates" qui permettent le contrôle du tunnel entre deux états de bord qui se propagent en contre. Avec ces systèmes, des interférences quantiques avec une visibilité (l'amplitude relative de la figure d'interférence) aussi élevé que 90% ont été obtenus avec un interferometer de Mach-Zehnder électronique (IMZ). Un paramètre important dans les expériences quantiques est la longueur de cohérence. Cette longueur est la longueur caractéristique d'une particule sur laquelle est sondée par l'environnement. Cette longueur fixe les limites de tous les systèmes quantiques. Il est au cœur d'une question centrale, toujours soulevée, dans la physique de la matière condensée: dans quelle mesure on peut traiter des quasi-particules comment des particules libres sans interaction? Dans l'expérience récente nous avons déterminé pour la première fois la longueur de cohérence dans ces états de bord en utilisant un IMZ électronique et nous avons identifié quel est le processus responsable de la de-cohérence [1,2]. Nous avons donc modifié notre configuration d'accroître la cohérence en découplant les états de bord de leur environnement [3]. La question suivante que nous abordons concerne la relaxation énergétique des électrons qui sont injectés à une énergie bien définie au-dessus de la mer de Fermi dans les états de bord. L'énergie des électrons injectés est sélectionnée avec un premier point quantique utilisé comme filtre d'énergie en manipulant ses niveaux d'énergie discrets. Après une longueur de propagation de quelques μ-mètres, où des mécanismes de relaxation peuvent avoir lieu, un deuxième point quantique est utilisé pour détecter l'énergie à laquelle les électrons arrivent. Cette expérience fournit la première spectroscopie résolu en énergie de la relaxation des quasi-particules dans le régime Hall quantique entier.

  • Titre traduit

    Finit Energy Coherence in Quantum Electronics


  • Résumé

    Since a decade, it is possible to realize in condensed matter, quantum optic like experiment with electrons instead of photons. The ballistic beam like motion of the electrons is obtained in the integer quantum Hall regime when applying a high magnetic field perpendicular to a high mobility twodimensional electron gas in GaAs/GaAlAs. In such a regime the charge transport occurs through one dimensional chiral wires localized one the edge of the sample: the edge states. The beam splitters used in optic are replaced here by split-gates allowing the control of the tunnelling between two counter propagating edge states. With these systems, quantum interferences with a visibility (the relative amplitude of the interference pattern) as high as 90 % have been obtained with electronic Mach-Zehnder Interferometer (MZI). One important parameter in quantum experiments is the so called coherence length. This length is the typical length on which a particle is probed by the environment. This length sets the limitations of every quantum systems. It is at the heart of a central question always raised in condensed matter physics: how far one can treat quasi-particles as free non-interacting particles? In recent experiment we have determined for the first time the coherence length in these edge sates using an electronic MZI and we have indentified what is the process responsible for the de-coherence [1,2]. We have then modified our setup to increase the coherence by decoupling the edge states from their environment [3]. The next question that we are addressing concerns the energy relaxation of electrons that are injected at a well defined energy above the Fermi sea in the edge states. The energy of the injected electrons is selected with a first Quantum Dot used as an energy filter by manipulating its discrete energy levels. After a propagation length of a few μ-meters, where relaxation mechanisms can take place, a second Quantum Dot is used to detect the energy at which electrons arrive. This experiment provides the first accurate energy resolve spectroscopy of the relaxation of quasiparticles in the IQH regime.