Nanoélectronique / Nanoelectronics
The NANOELECTRONICS GROUP activities explore the quantum properties of nano-conductors. In the past, the group developed the world's first electronic quantum shot noise measurements to show the quantum noise suppression by the Fermi statistics, to evidence the e/3 fractional charges in the Quantum Hall Effect regime or to study the statistics GHz photons emitted by quantum conductor.
Our research activities are:
- Electron Wave Optics: electronic interferometer similar to optical ones are available using the edge channels of a 2D electron gas in the Quantum Hall regime. Our Mach-Zehnder interferometer have probed the electron coherence length to shed light on decoherence mechanism.
- Electron Quantum Optics: on-demand injection of electrons in a conductor opens a new field of quantum experiments. A new time-resolved excitation carrying a single charge, a Leviton, has been evidenced thanks to electronic Hong-Ou-Mandel correlation and noise spectroscopy.
- Electron quantum noise and microwave photon noise: photon emission by a conductor is a new field of research. A voltage biased Quantum Point Contact generating shot noise has shown its photon emission cut-off at frequency ev/h. First time measurements of the statistics of photon emitted by a tunnel junction have been done.
- Application of Photo-Assisted Shot Noise (PASN): the creation of electron-hole pairs in a quantum conductor by external irradiation leads to photo-assisted shot noise. The first on-chip PASN detector has been built which detects the high frequency noise emitted by a Quantum Point Contact by the PASN induced in another QPC.
- Graphene Plasmonics and Quantum Hall effect: the universal scaling laws of variable range hopping transport limiting the Quantum Hall effect have been determined. The chirality of collective edge magnetoplasmon waves has been evidenced and the cyclotron orbit drift velocity on Graphene edge determined using an original picosecond pulses method.
- NEMS: Graphene as a microscopic drumhead mechanical resonator which will be cooled to its fundamental quantum state. Of interest is decoherence time of this truly mesoscopic resonator. Potential application of such a quantum mechanical oscillator as a microwave-optical coupler will also be considered.
#181 - Màj : 11/11/2019
Voir aussi
Electrons on Helium : We study a system of few electrons over a film of liquid helium. The advantage of putting the electrons over the film of helium is that it provides almost ideal isolator. Unlike metal or semiconductors, where electrons are never more than few nanometers from an impurity or a crystalline defect, liquid helium has no defects. The behaviour of the quasiparticles in helium, such as surface or bulk waves (ripplons and phonons) and their interaction with electrons is rather well understood.
Piégeage d'un électron UNIQUE à la surface de l'hélium superfluide :
Lorsqu'on place un électron au dessus d'une surface d'hélium liquide, il polarise l'hélium, abaissant ainsi l'énergie du système. Plus l'électron est près de la surface plus cet effet est important, si bien que l'électron est attiré par le liquide. Cependant, à courte distance l'électron devient fortement repoussé par les électrons des atomes d'hélium.
Prix de l'Académie des Sciences Madeleine Lecoq 2020 décerné à Maëlle Kapfer :
Maëlle Kapfer © Evan Telford, Columbia University, NY USA
Le Prix de l'Académie des Sciences Madeleine Lecoq* 2020 est décerné à Maëlle Kapfer pour son travail de thèse : "Dynamique des excitations dans l'effet Hall quantique fractionnaire : charge fractionnaire et fréquence Josephson fractionnaire / Dynamics of excitations in the Fractional Quantum Hall effect: fractional charge and fractional Josephson frequency", soutenue le 26 octobre 2019.
Faits marquants scientifiques
18 novembre 2020
Des chercheurs du SPEC, en collaboration avec des équipes du C2N et de l'université de Gênes, ont observé la dissolution et la réapparition partielle d'un électron injecté à énergie finie dans les canaux électroniques chiraux unidimensionnels, créés par l'application d'un champ magnétique intense le long des bords d'un système électronique bidimensionnel (en régime d'effet Hall quantique).
11 juillet 2019
La métrologie (spectroscopie, mesures de temps ou de distances) ou encore la réalisation de réseaux optiques quantiques nécessitent des sources de photons uniques efficaces. Une équipe du SPEC à Saclay, en collaboration avec l'IQST d'Ulm en Allemagne, propose une voie originale pour obtenir une source de photons microondes uniques, simple, efficace et brillante.
17 janvier 2019
L'électron est une particule élémentaire portant la charge élémentaire "e", une constante fondamentale de la physique.
07 novembre 2017
Les photons intriqués jouent un rôle fondamental pour la compréhension et la vérification expérimentale des aspects les plus spectaculaires de la physique quantique, notamment dans les expériences de violation des inégalités de Bell. En outre, ils constituent des ressources potentielles pour des protocoles de télécommunication et de transmission de l’informatique quantique.
08 mars 2017
Groupe Nanoélectronique
Lorsqu’un conducteur quantique est exposé à du rayonnement électromagnétique, ses propriétés de transport sont modifiées par l'interaction entre la lumière et les électrons se propageant dans le conducteur quantique.
23 mars 2016
Il est fascinant de pouvoir aujourd'hui construire des dispositifs (capteurs, dispositifs opto-électroniques, réalisation de qubits, …) dont le comportement quantique se manifeste à notre échelle.
30 octobre 2014
En information quantique, il est essentiel de connaître complètement l’état quantique de l’objet (photon, électron ou spin) qui porte l’information. Ceci est possible par une procédure, appelée tomographie, qui consiste à mesurer la fonction d’onde par tranches successives. La tomographie est une procédure aujourd'hui bien connue pour un photon.
03 octobre 2014
Si le transport électrique usuel nous est familier (tension, courant, résistance électrique, …), les phénomènes de transport de charge dans un conducteur quantique suivent des lois probabilistes bien différentes.
28 octobre 2013
Les progrès en nano-électronique quantique permettent d'observer dans un conducteur les interférences entre électrons, comme le font des photons en optique, ou encore de mesurer leur bruit quantique (ou bruit Schottky, l’analogue pour des électrons du bruit de photon , lié à la nature discrète des particules).
20 novembre 2012
Tout objet dans un état de superstition d'états quantiques mais non isolé, perd sa cohérence (décohérence quantique) et seuls les états observables macroscopiquement sont finalement observables.
12 décembre 2011
L'électromagnétisme classique permet de rendre compte de l'ensemble de l’optique usuelle. Mais il existe des phénomènes lumineux qui ne peuvent être compris que dans le cadre de la mécanique quantique, tels que le paquet d’onde à un photon unique, ou encore l'émission de paires de photons intriqués...
16 septembre 2010
Eva Zakka-Bajjani, J. Dufouleur, N. Coulombel, P. Roche, D. C. Glattli, and F. Portier
( French version)
Contact: Dr. Fabien PORTIER
A conductor in equilibrium under a bias voltage shows current fluctuations proportional to its resistance and temperature. This type of noise is known as the Johnson-Nyquist noise, or equivalently, the thermal noise. In a quantum conductor, current fluctuations generate microwave photons which obey chaotic statistics (cf., blackbody radiation) if the conductor is at equilibrium.
13 octobre 2009
Yuri Mukharsky, Andrei Penzev et Eric Varoquaux, Groupe de Nanoélectronique
( English version)
Si l'existence en était avérée, un "super-solide" serait un état de la matière combinant la rigidité d'un solide et les propriétés d'un superfluide. Ce serait un état inédit de la matière. Toutefois, des incertitudes subsistent sur la mise en évidence d'un tel état et sur la manière dont il pourrait se former.
09 juin 2009
( English version)
On pensait bien connaitre la physique des transistors, et en particulier celle de ceux qui peuplent par millions le cœur de nos ordinateurs, les MOSFETs au Silicium (Metal Oxyde Semi-conducteur Field Effect Transistor).
07 août 2006
J. Gabelli1, G. Fève1, J.-M. Berroir1, B. Plaçais1, A. Cavanna2, B. Etienne2, Y. Jin2, D. C. Glattli1,3
Une équipe mixte ENS/CNRS/CEA-Saclay(SPEC) du Laboratoire Pierre Aigrain a pour la première fois mis en évidence le comportement remarquable d’un circuit électronique lorsque sa miniaturisation est poussée à l’extrême. Ces résultats sont publiés dans la revue Science.
Publications HAL
Thèses
| 2 sujets /SPEC/GNE |
Dernière mise à jour : 27-02-2021
Expérience d’interférométrie de type "Hong-Ou-Mandel" dans le graphène
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021
| Contact : |
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| Directeur de thèse : |
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Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/preden.roulleau/
Labo : http://iramis.cea.fr/spec/GNE/
Voir aussi : https://nanoelectronicsgroup.com/
Historiquement, l’expérience d’interférométrie de type "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 (tau)=|Psi(x)¦Psi(x-tau)|^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 N_0 expériences, les fluctuations du nombre de particules sont données par Delta_N^2~(1±|Psi(x)¦Psi(x-v_F tau)|^2), avec un signe positif pour les bosons, négatif pour les fermions, tau étant la différence temporelle entre particules et v_F leur vitesse. Pour des états quantiques qui ne se recouvrent pas à large tau, on retrouve les fluctuations de deux particules indépendamment partitionnées. Pour tau 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].
Récemment, nous avons montré qu’il était possible de réaliser des lames séparatrices dans le graphène et d’obtenir un interféromètre de Mach Zehnder avec une visibilité record de 80% [3]. Sur le même principe, nous proposons une géométrie originale du type Hong Ou Mandel pour sonder pour la première fois la statistique des fermions dans le graphène.
Lors de ce stage, l’étudiant rejoindra une expérience en cours. En parallèle des calculs théoriques seront menés ainsi que des simulations numériques de collision d’électrons dans le graphène.
Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet financé par l’ERC starting grant COHEGRPAH (2016).
[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)
[3] Coherent manipulation of the valley in graphene, M. Jo, P. Brasseur, A. Assouline, W. Dumnernpanich, P. Roche, D.C. Glattli, N. Kumada, F.D. Parmentier, and P. Roulleau, soumis (https://arxiv.org/abs/2011.04958(2020))
L’interférence entre deux particules indiscernables a comme conséquence que le recouvrement des paquets d’onde dépendra de la statistique des particules détectées. Après N_0 expériences, les fluctuations du nombre de particules sont données par Delta_N^2~(1±|Psi(x)¦Psi(x-v_F tau)|^2), avec un signe positif pour les bosons, négatif pour les fermions, tau étant la différence temporelle entre particules et v_F leur vitesse. Pour des états quantiques qui ne se recouvrent pas à large tau, on retrouve les fluctuations de deux particules indépendamment partitionnées. Pour tau 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].
Récemment, nous avons montré qu’il était possible de réaliser des lames séparatrices dans le graphène et d’obtenir un interféromètre de Mach Zehnder avec une visibilité record de 80% [3]. Sur le même principe, nous proposons une géométrie originale du type Hong Ou Mandel pour sonder pour la première fois la statistique des fermions dans le graphène.
Lors de ce stage, l’étudiant rejoindra une expérience en cours. En parallèle des calculs théoriques seront menés ainsi que des simulations numériques de collision d’électrons dans le graphène.
Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet financé par l’ERC starting grant COHEGRPAH (2016).
[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)
[3] Coherent manipulation of the valley in graphene, M. Jo, P. Brasseur, A. Assouline, W. Dumnernpanich, P. Roche, D.C. Glattli, N. Kumada, F.D. Parmentier, and P. Roulleau, soumis (https://arxiv.org/abs/2011.04958(2020))
Photons antigroupés grâce au principe de Pauli
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021
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Page perso : http://iramis.cea.fr/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=caltimir
Labo : https://nanoelectronicsgroup.com/
Lors de cette thèse nous souhaitons mieux comprendre l'interaction entre deux éléments clés de l'électrodynamique des circuits électriques: un contact ponctuel quantique QPC, implémentant un canal de conduction électronique de transmission ajustable, et un mode du champ électromagnétique.
Même si on peut les considérer comme étant les briques de bases des circuits quantiquement cohérents, leur interaction est mal connue. Lors de cette thèse, nous souhaitons tester des prédictions théoriques qui prédisent que les fortes contraintes imposées au transport de charge par le QPC font en sorte que la radiation émise dans le mode hérite des propriétés d'anti-groupement imposées aux électrons par le principe de Pauli.
Pour plus de détails, voir le résumé en anglais.
Même si on peut les considérer comme étant les briques de bases des circuits quantiquement cohérents, leur interaction est mal connue. Lors de cette thèse, nous souhaitons tester des prédictions théoriques qui prédisent que les fortes contraintes imposées au transport de charge par le QPC font en sorte que la radiation émise dans le mode hérite des propriétés d'anti-groupement imposées aux électrons par le principe de Pauli.
Pour plus de détails, voir le résumé en anglais.
Stages
Expérience Hong Ou Mandel dans le graphène
Hong Ou Mandel experiment in graphene
Spécialité
Physique de la matière condensée
Niveau d'étude
Bac+5
Formation
Master 2
Unité d'accueil
Candidature avant le
10/04/2021
Durée
5 mois
Poursuite possible en thèse
oui
Contact
ROULLEAU Preden
+33 1 69 08 73 11
Résumé/Summary
Dans ce stage, nous proposons de réaliser la première expérience d'interférométrie à deux électrons dans le graphène: l'expérience d'Hong Ou Mandel.
In this internship, we propose to realize the first two-electron interfetometer in graphene: the Hong Ou Mandel experiment.
Sujet détaillé/Full description
Ce stage aborde un sujet central à la croisée de l'information quantique, du transport quantique et des matériaux 2D : la physique de l'électronique de vallée. En plus de la charge électronique fondamentale, l'électron porte un spin. Le contrôle de ce spin a ouvert un nouveau domaine, la spintronique, qui exploite le spin afin de coder l'information pour certaines applications comme le transfert et le stockage des données.
Dans le graphène, en raison des deux sous-réseaux, un nouveau degré de liberté interne apparaît : l'isospin de vallée. La robustesse de l'isospin de vallée contre le bruit électrostatique suggère que l'électronique de vallée, qui code les informations dans l'isospin de vallée, a un grand potentiel pour des applications en physique fondamentale mais aussi dans l'industrie de haute technologie. La feuille de route pour la technologie et l'innovation du graphène (Graphene Flaqship) décrit le graphène comme une plateforme potentielle pour l'électronique de vallée.
Récemment, nous avons réussi à contrôler l'état de vallée électrostatiquement sur un bord de graphène. En utilisant deux grilles latérales comme une paire de lames séparatrices de faisceaux de vallée, nous avons réalisé un interféromètre de Mach Zehnder et démontré des opérations quantiques de base d'un qubit de vallée. Nous avons montré en outre que la cohérence du qubit de vallée dépasse largement les valeurs rapportées pour le qubit de charge dans les semi-conducteurs 2D à haute mobilité.
Dans ce stage, nous proposons d'aller plus loin et de réaliser la première expérience d'interférométrie à deux électrons dans le graphène: l'expérience d'Hong Ou Mandel.
Dans le graphène, en raison des deux sous-réseaux, un nouveau degré de liberté interne apparaît : l'isospin de vallée. La robustesse de l'isospin de vallée contre le bruit électrostatique suggère que l'électronique de vallée, qui code les informations dans l'isospin de vallée, a un grand potentiel pour des applications en physique fondamentale mais aussi dans l'industrie de haute technologie. La feuille de route pour la technologie et l'innovation du graphène (Graphene Flaqship) décrit le graphène comme une plateforme potentielle pour l'électronique de vallée.
Récemment, nous avons réussi à contrôler l'état de vallée électrostatiquement sur un bord de graphène. En utilisant deux grilles latérales comme une paire de lames séparatrices de faisceaux de vallée, nous avons réalisé un interféromètre de Mach Zehnder et démontré des opérations quantiques de base d'un qubit de vallée. Nous avons montré en outre que la cohérence du qubit de vallée dépasse largement les valeurs rapportées pour le qubit de charge dans les semi-conducteurs 2D à haute mobilité.
Dans ce stage, nous proposons d'aller plus loin et de réaliser la première expérience d'interférométrie à deux électrons dans le graphène: l'expérience d'Hong Ou Mandel.
This internship addresses a central topic at the cross between quantum information, quantum transport, and 2D materials: the physics of valleytronics. In addition to the fundamental electronic charge, electron carries spin. The development of spin control has opened and extended a large field, spintronics, which exploits spin to encode information for some applications in data transfer and storage. In graphene, because of the two sublattices, a new internal degree of freedom pops up: the valley isospin. Robustness of the valley isospin against electrostatic noise suggests that valleytronics, which encodes information in the valley isospin, has great potential for tremendous applications in fundamental physics but also high-tech industry. The Graphene Technology and Innovation Roadmap (Graphene Flaqship) describes graphene as a potential platform for valleytronics.
Recently, we succeeded in controlling the degree of the valley scattering at a small side gate on a graphene edge. Using two side gates as a pair of valley beam splitters, we have realized an electronic Mach Zehnder interferometer and demonstrated basic quantum operations of a flying valley qubit, that is, quantum control of the superposition of spatially co-propagating but opposite-valley-isospin channels along a graphene PN junction. We moreover show that the coherence of the flying valley qubit largely surpasses state of the art values of charge qubit in high-mobility 2D semiconductors.
In this internship, we propose to go one step further and to realize the first two-electron interfetometer in graphene: the Hong Ou Mandel experiment.
Recently, we succeeded in controlling the degree of the valley scattering at a small side gate on a graphene edge. Using two side gates as a pair of valley beam splitters, we have realized an electronic Mach Zehnder interferometer and demonstrated basic quantum operations of a flying valley qubit, that is, quantum control of the superposition of spatially co-propagating but opposite-valley-isospin channels along a graphene PN junction. We moreover show that the coherence of the flying valley qubit largely surpasses state of the art values of charge qubit in high-mobility 2D semiconductors.
In this internship, we propose to go one step further and to realize the first two-electron interfetometer in graphene: the Hong Ou Mandel experiment.
Mots clés/Keywords
Hong Ou Mandel, graphène, interféromètre
Hong Ou Mandel, graphene, interferometer
Compétences/Skills
L'expérience est en cours.
L'étudiant analysera et traitera les données sous python.
Discussions sur le traitement des données avec l'équipe
It is a running experiment
The student will analyse and treat the data with Python
Discussion about the data treatment with the team
Logiciels
Python
Fort couplage QED à des conducteurs quantiques
Strong coupling QED of quantum conductors
Spécialité
Physique de la matière condensée
Niveau d'étude
Bac+5
Formation
Master 2
Unité d'accueil
Candidature avant le
30/04/2021
Durée
6 mois
Poursuite possible en thèse
oui
Contact
ALTIMIRAS Carles
+33 1 69 08 72 35
Autre lien
Résumé/Summary
Pendant ce stage nous développerons des circuits de détection microondes de haute impédance et grande bande passante à fin de réaliser des expériences d'électrodynamique quantique avec des conducteurs quantiquement coherents.
During this internship, we will develop high impedance and large bandwidth RF detection circuits in order to perform quantum electrodynamics experiments on quantum coherent electrical conductors.
Sujet détaillé/Full description
Quantum transport investigates the dynamics of electrical circuits displaying a quantum mechanical behavior. This is achievable by patterning circuits in the nm/um scale in clean room environments, and cooling them at T∼15 mK in dilution fridges. A remarkable aspect of such quantum dynamics is that the electrical current fluctuates, even in response to a strictly DC bias. Detecting these quantum fluctuations is highly informative as it conveys information on the granularity of charge, the statistics of the carriers but also on the characteristic transport times such as the electronic scattering time or on interaction effects.
In the last years, our lab has developed several experimental schemes and technics in order to measure efficiently such quantum fluctuations in the few GHz range. In a qualitative level, measuring at this frequency range fdet∼6 GHz gives access to the quantum optical regime hfdet>>kBT, where one needs to provide a quantum description not only for the electrical current flowing through the conductor, but also for the electromagnetic fields exchanged with its detection scheme. This so-called circuit quantum electrodynamics regime is appealing since the corresponding ligh-matter coupling, proportional to the detection impedance, can be engineered and take non-perturbative values unparalleled in other physical systems. In a quantitative level, using this frequency range increases the experimental window: On the one side, performing faster experiments enables probing shorter transport time scales, or equivalently larger interaction energy scales. On the other side, it naturally provides larger detection bandwidths enabling to perform higher resolution experiments tracking subtle interaction effects.
The purpose of this internship is to design, micro-fabricate and test in a cryogenic environment a new generation of radiofrequency impedance matching circuits, in order to increase notably the bandwidth of the detection window. The goal of this project is to obtain a detection bandwidth larger than the thermal bandwidth at 15 mK thus fdet∼1 GHz, with a detection impedance of the order to the resistance quantum RQ=h/e^2∼25.8 k. Such a device would enable in a future PhD project to detect how the sub-Poissonian properties of Fermions being scattered upon a potential barrier might imprint on the properties of the resulting radiated RF field [1, 2].
[1] Beenaker & Schomerus, Phys.Rev.Lett. 93, 096801 (2004)
[2] Hassler & Otten, Phys. Rev. B 92, 195417 (2015)
In the last years, our lab has developed several experimental schemes and technics in order to measure efficiently such quantum fluctuations in the few GHz range. In a qualitative level, measuring at this frequency range fdet∼6 GHz gives access to the quantum optical regime hfdet>>kBT, where one needs to provide a quantum description not only for the electrical current flowing through the conductor, but also for the electromagnetic fields exchanged with its detection scheme. This so-called circuit quantum electrodynamics regime is appealing since the corresponding ligh-matter coupling, proportional to the detection impedance, can be engineered and take non-perturbative values unparalleled in other physical systems. In a quantitative level, using this frequency range increases the experimental window: On the one side, performing faster experiments enables probing shorter transport time scales, or equivalently larger interaction energy scales. On the other side, it naturally provides larger detection bandwidths enabling to perform higher resolution experiments tracking subtle interaction effects.
The purpose of this internship is to design, micro-fabricate and test in a cryogenic environment a new generation of radiofrequency impedance matching circuits, in order to increase notably the bandwidth of the detection window. The goal of this project is to obtain a detection bandwidth larger than the thermal bandwidth at 15 mK thus fdet∼1 GHz, with a detection impedance of the order to the resistance quantum RQ=h/e^2∼25.8 k. Such a device would enable in a future PhD project to detect how the sub-Poissonian properties of Fermions being scattered upon a potential barrier might imprint on the properties of the resulting radiated RF field [1, 2].
[1] Beenaker & Schomerus, Phys.Rev.Lett. 93, 096801 (2004)
[2] Hassler & Otten, Phys. Rev. B 92, 195417 (2015)
Quantum transport investigates the dynamics of electrical circuits displaying a quantum mechanical behavior. This is achievable by patterning circuits in the nm/um scale in clean room environments, and cooling them at T∼15 mK in dilution fridges. A remarkable aspect of such quantum dynamics is that the electrical current fluctuates, even in response to a strictly DC bias. Detecting these quantum fluctuations is highly informative as it conveys information on the granularity of charge, the statistics of the carriers but also on the characteristic transport times such as the electronic scattering time or on interaction effects.
In the last years, our lab has developed several experimental schemes and technics in order to measure efficiently such quantum fluctuations in the few GHz range. In a qualitative level, measuring at this frequency range fdet∼6 GHz gives access to the quantum optical regime hfdet>>kBT, where one needs to provide a quantum description not only for the electrical current flowing through the conductor, but also for the electromagnetic fields exchanged with its detection scheme. This so-called circuit quantum electrodynamics regime is appealing since the corresponding ligh-matter coupling, proportional to the detection impedance, can be engineered and take non-perturbative values unparalleled in other physical systems. In a quantitative level, using this frequency range increases the experimental window: On the one side, performing faster experiments enables probing shorter transport time scales, or equivalently larger interaction energy scales. On the other side, it naturally provides larger detection bandwidths enabling to perform higher resolution experiments tracking subtle interaction effects.
The purpose of this internship is to design, micro-fabricate and test in a cryogenic environment a new generation of radiofrequency impedance matching circuits, in order to increase notably the bandwidth of the detection window. The goal of this project is to obtain a detection bandwidth larger than the thermal bandwidth at 15 mK thus fdet∼1 GHz, with a detection impedance of the order to the resistance quantum RQ=h/e^2∼25.8 k. Such a device would enable in a future PhD project to detect how the sub-Poissonian properties of Fermions being scattered upon a potential barrier might imprint on the properties of the resulting radiated RF field [1, 2].
[1] Beenaker & Schomerus, Phys.Rev.Lett. 93, 096801 (2004)
[2] Hassler & Otten, Phys. Rev. B 92, 195417 (2015)
In the last years, our lab has developed several experimental schemes and technics in order to measure efficiently such quantum fluctuations in the few GHz range. In a qualitative level, measuring at this frequency range fdet∼6 GHz gives access to the quantum optical regime hfdet>>kBT, where one needs to provide a quantum description not only for the electrical current flowing through the conductor, but also for the electromagnetic fields exchanged with its detection scheme. This so-called circuit quantum electrodynamics regime is appealing since the corresponding ligh-matter coupling, proportional to the detection impedance, can be engineered and take non-perturbative values unparalleled in other physical systems. In a quantitative level, using this frequency range increases the experimental window: On the one side, performing faster experiments enables probing shorter transport time scales, or equivalently larger interaction energy scales. On the other side, it naturally provides larger detection bandwidths enabling to perform higher resolution experiments tracking subtle interaction effects.
The purpose of this internship is to design, micro-fabricate and test in a cryogenic environment a new generation of radiofrequency impedance matching circuits, in order to increase notably the bandwidth of the detection window. The goal of this project is to obtain a detection bandwidth larger than the thermal bandwidth at 15 mK thus fdet∼1 GHz, with a detection impedance of the order to the resistance quantum RQ=h/e^2∼25.8 k. Such a device would enable in a future PhD project to detect how the sub-Poissonian properties of Fermions being scattered upon a potential barrier might imprint on the properties of the resulting radiated RF field [1, 2].
[1] Beenaker & Schomerus, Phys.Rev.Lett. 93, 096801 (2004)
[2] Hassler & Otten, Phys. Rev. B 92, 195417 (2015)
Mots clés/Keywords
Transport quantique, electrodynamique quantique, radiofréquences
Quantum transport, quantum electrodynamics, radiofrequencies
Compétences/Skills
Simulation de circuits microondes, nano et micro fabrication, mesures électriques en environnements cryogéniques
RF circuit simulations, nano and microfabrication techniques, electrical measurements in cryogenic environments
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