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Les stages

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Expérience Hong Ou Mandel dans le graphène
The Hong Ou Mandel experiment in graphene

Spécialité

Physique théorique, mécanique quantique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

05-05-2017

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ROULLEAU Preden
+33 1 69 08 73 11

Résumé/Summary

Première réalisation de collision contrôlée d'électrons dans du graphène ultra haute mobilité.
François Parmentier, Patrice Roche, Christian Glattli, Geneviève Fleury and Preden Roulleau
First realization of controlled collision of electrons in ultra high mobility graphene.

François Parmentier, Patrice Roche, Christian Glattli, Geneviève Fleury and Preden Roulleau

Sujet détaillé/Full description

Historiquement, l'expérience Hong Ou Mandel a été réalisée afin d'obtenir des informations dans le domaine temporel des paquets d'onde du photon : une manière directe pour mesurer la largeur temporelle des paquets d'onde du photon. L'absence de détecteurs quadratiques pour mesurer l'autocorrélation en temps pour des niveaux de signaux aussi faibles a amené Hong, Ou et Mandel à considérer la cohérence du deuxième ordre : g_2 (τ)=|⟨ψ(x)│ψ(x-τ)⟩|^2 en faisant collisionner des photons émis par conversion paramétrique basse sur une lame séparatrice. L'interférence entre deux particules indiscernables a comme conséquence que le recouvrement des paquets d'onde dépendra de la statistique des particules détectées. Après N0 expériences, les fluctuations du nombre de particules sont données par N^2=2(1/4)(1 + |⟨ψ(x)│ψ(x-v_Fτ) ⟩|^2), avec un signe positif pour les bosons, négatif pour les fermions, τ étant la différence temporelle entre particules et v_F leur vitesse. Pour des états quantiques qui ne se recouvrent pas à large τ, on retrouve les fluctuations de deux particules indépendamment partitionnées. Pour τ nul (recouvrement total), la statistique bosonique double le bruit alors que la statistique fermionique l'annule. L'expérience Hong ou Mandel est maintenant un standard en optique quantique. La mise au point de lame séparatrices électroniques dans l'AsGa/AlGaAs combinée à l'utilisation de source d.c. et a.c. a permis de réaliser l'expérience Hong Ou Mandel avec des électrons [1,2]. La géométrie que je propose permettra la première réalisation de l'expérience Hong Ou Mandel dans le graphène. Dans le graphène, la longueur de relaxation devrait être bien plus grande que dans l'AsGa/AlGaA. Par conséquent, une corrélation maximale entre les deux signaux de sortie à τ=0 devrait être mesurée, une signature du principe de Pauli. Ce sujet s'inscrit dans le cadre d'un projet financé par l'ERC starting grant COHEGRPAH (2016). Pendant son stage, l'étudiant fabriquera/mesurera des échantillons de graphène ultra haute mobilité et réalisera des simulations numériques de collision d'électrons dans le graphène.

[1] J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau, & D. C.Glattli , Nature 502, 659-663 (2013)
[2] E. Bocquillon et al., Science 339, 1054 (2013)
Historically, the Hong Ou Mandel experiment has been performed to get time-domain information on the photon wave packets: it was a direct way to measure the time width of single photon wave packets. The lack of quadratic detectors to perform time auto-correlation at so low input level led them to consider the second order coherence 〖g_2 (τ)=|⟨ψ(x)│ψ(x-τ)⟩|〗^2 by colliding the idler and signal photons generated by parametric down-conversion of a laser source on a beam splitter. Indeed, the interference of the two indistinguishable particles makes the particle detection statistics dependent on their wavefunction overlap. After N0 experiments, the particle number fluctuation is ∆N^2=2(1/4)(1∓|⟨ψ(x)│ψ(x-v_F τ) ⟩|^2), where the plus sign holds for bosons, the minus sign holds for fermions, τ is the time delay between particles and v_F is their velocity. For non-overlapping states at large τ, the fluctuations of two particles independently partitioned is found. For zero delay (full overlap), the bosonic bunching doubles the noise whereas the fermionic exclusion makes it vanish. Hong–Ou–Mandel experiments are now standard in quantum optics. With the use of electronic beamsplitters in GaAs/AlGaAs, d.c. and a.c. voltage sources have shown anti-bunching [1,2]. The design that I propose will lead to the first Hong–Ou–Mandel experiment realization in graphene. In graphene, the relaxation length should be much larger than in GaAs/AlGaAs and I expect to recover a zero Hong Ou Mandel dip, the signature of the Pauli principle. This proposal is part of the ERC starting grant COHEGRAPH (2016).
During this training period, the student will fabricate/measure ultra-clean graphene sample and realize numerical simulation of electron collision in graphene.

[1] J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau, & D. C.Glattli , Nature 502, 659-663 (2013)
[2] E. Bocquillon et al., Science 339, 1054 (2013)

Compétences/Skills

Fabrication d'échantillons, mesures basse température, simulation numérique (python).
Sample fabrication, low temperature measurements, numerical simulation (python).

Logiciels

Python

 

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