CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

Expérience d'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

11/04/2020

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Roulleau Preden
+33 1 69 08 73 11

Résumé/Summary
Nous proposons dans ce stage de sonder pour la première fois la statistique des Fermions dans le graphène par une expérience originale du type "Hong-Ou-Mandel".
We propose in this internship to probe for the first time the fermion statistics in graphene with a "Hong-Ou-Mandel" experiment
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
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
Mots clés/Keywords
Physique Quantique, Optique quantique électronique, Graphène
Quantum physics, electron quantum optics, graphene
Compétences/Skills
- Nanofabrication - Très basse température (10mK) - Fort champ magnétique (10T) - Mesures bas bruits (DC, RF)
- Nanofabrication - Ultra low temperature (10mK) - High magnetic field (10T) - Low noise measurements (DC,RF)
Logiciels
Python
Manipulation micro-ondes des charge fractionaires (anyons) de l'effet Hall quantique
Microwave manipulation of fractional charges (anyons) of the Quantum Hall Effect

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

29/05/2020

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GLATTLI Christian
+33 1 69 08 72 43/74 75

Résumé/Summary
Des récents progrès (Science 2019) ont démontré la manipulation micro-onde des anyons de charge e/3 ou e/5 dans le régime d’effet Hall fractionnaire. Le stage portera sur le contrôle d’anyons individuels générés à la demande sous forme de lévitons (Nature 2013). Une telle source unique d’anyons permettrait d’étudier leur statistique ni fermion, ni boson.
Recently, the microwave control of e/3 and e/5 anyons has been demonstrated in the Quantum Hall Effect regime (Science 2019). During the internship we propose to realize an on-demand source of single anyons generalizing the concept of single Leviton sources (Nature 2013). Having such anyon source will enable the study of the anyonic (not fermionic nor bosonic) statistics.
Sujet détaillé/Full description
Dans certains états quantique de la matière, le courant peut être transporté par des porteurs de charges ayant une fraction e* de la charge élémentaire. C'est notamment le cas de l'Effet Hall quantique fractionnaire (EHQF), une phase quantique topologique ordonnée, qui se produit pour des systèmes électroniques bidimensionnels à basse température et soumis à un fort champ magnétique perpendiculaire. Quand le nombre de quantum de flux en unité h/e est une fraction du nombre d'électrons, le courant se propage le long des bords de l'échantillon sans dissipation. Les porteurs de charges impliqués dans le transport portent une charge fractionnaire e/3, e/5, e/7, etc., … suivant les conditions. Ces excitations fractionnaires sont prédites obéir à une statistique quantique différente des fermions ou des bosons, mais appelée anyonique. Cependant l’observation de statistique anyonique reste à faire. Nous proposons une méthode originale basée sur la manipulation d’anyons par des micro-ondes comme récemment démontrés par le groupe (Science 2019). L’idée est de réaliser une source d’anyon unique à la demande analogue à la source de lévitons développée par le groupe pour des électrons (Nature 2013, Nature 2014). Combinant 2 sources permettrait de réaliser des interférence quantique à deux anyons et de révéler leur statistique anyonique.
Durant le stage, l'étudiant participera à sur la mise au point de cette source anyonique pour des anyons de charge e/3 et e/5 basée sur la génération de pulses micro-ondes Lorentziens et sa caractérisation par des mesures de bruit quantique électronique.

[1] A Josephson relation for fractionnally charged anyons, M. Kapfer, P. Roulleau, I. Farrer, D. Ritchie and D. C. Glattli ( SCIENCE (2019) https://doi.org/10.1126/science.aau3539 )

[2] Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons, J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau and D. C. Glattli, NATURE 502, 659-663 (2013)

[3] Quantum tomography of an electron, T. Jullien, P. Roulleau, B. Roche, A. Cavanna, Y. Jin and D. C. Glattli, Nature 514, 603–607 ( 2014)



In some quantum matter states, the current may remarkably be transported by carriers that bear a fraction e∗ of the elementary electron charge. This is the case for the Fractional quantum Hall effect (FQHE) that happens in two-dimensional systems at low temperature under a high perpendicular magnetic field. When the number of magnetic flux in units of h/e is a fraction of the number of electrons, a dissipationless current flows along the edges of the sample and is carried by anyons with fractional charge e/3, e/5, e/7, etc. These fractional excitations are believed to be anyons intermediate between fermions and bosons. However the evidence of anyonic statistics is still lacking. We propose an original approach based on the manipulation of anyons by microwave photons as recently demonstrated in the group (Science 2019). The idea is to realize a single anyon source similar to the one developed for electrons based on Levitons (Nature 2013, Nature 2014). Combining 2 such sources would allow the 2-anyon interference required to evidence the anyonic statistics.
During the internship the student will participate to the realization of the on-demand single anyon source using microwave Lorentzian pulses. The characterization will include electronic quantum noise measurements.
[1] A Josephson relation for fractionally charged anyons, M. Kapfer, P. Roulleau, I. Farrer, D. Ritchie and D. C. Glattli ( SCIENCE (2019) https://doi.org/10.1126/science.aau3539 )

[2] Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons, J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau and D. C. Glattli, NATURE 502, 659-663 (2013)

[3] Quantum tomography of an electron, T. Jullien, P. Roulleau, B. Roche, A. Cavanna, Y. Jin and D. C. Glattli, Nature 514, 603–607 ( 2014)

Mots clés/Keywords
Physique mésoscopique, information quantique, conducteurs quantiques, nanoélectronique
mesoscopic physics, quantum information, quantum conductors, nanoelctronics
Compétences/Skills
Radiofréquences micro-ondes, cryogénie, nano-fabrication
microwaves, cryogénie, nanofabrication
Logiciels
python
Temps de tunneling électronique et ses fluctuations
Electron tunneling time and its fluctuations

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/05/2020

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ALTIMIRAS Carles
+33 1 69 08 72 35

Résumé/Summary
Nous nous proposons de mesurer "in-situ" les fluctuations temporelles de la charge portée par des électrons se trouvant sous un barrière de potentiel par effet tunnel.
We will measure de the charge time-fluctuations of electrons trapped within a potential barrier by the tunneling effect.
Sujet détaillé/Full description
Défiant notre intuition usuelle, l'effet tunnel quantique fascine les physiciens depuis des décennies. Très vite après sa découverte, s'est posé la question de savoir combien de temps les particules passent sous la barrière classiquement interdite. Malgré sa simplicité, une telle question est mal définie en termes d’observables quantiques et n’admet pas de réponse unique, entrainant ainsi au cours des dernières décennies un ensemble de définitions différentes correspondant à divers scénarios.
Suite à une proposition de Büttiker & collaborateurs [1], cette question sera abordée en considérant une observable bien définie : la mesure du spectre des fluctuations temporelles du nombre de particules résidant dans la barrière classiquement interdite. L'idée est d'exploiter un système de gaz d'électrons 2D dans un semi-conducteur, dans lesquels des portes métalliques couplées électrostatiquement peuvent être utilisées pour générer la barrière de potentiel électrostatique sur laquelle les électrons sont dispersés (contact à point quantique). Ces mêmes portes peuvent être également utilisées pour mesurer de façon indirecte les fluctuations de charge, fonction du nombre d'électrons de tunnel résidant sous la barrière.
Malgré sa simplicité conceptuelle, la mise en œuvre d'un tel scénario est une tâche délicate, car elle nécessite la collecte d'un signal radiofréquence (RF) de très faible amplitude, émis par une source d'impédance de sortie très élevée dans un réfrigérateur à dilution (T << 1K). Pour relever ce défi, nous nous appuierons sur l’expertise du groupe dans la conception RF et les mesures de bruit ultra faible dans les environnements cryogéniques, en mettant notamment en œuvre des circuits d’adaptation RF à haute impédance récemment développés, permettant de collecter efficacement le signal dans une chaîne de détection RF.
L’étudiant participera à la conception des circuits radiofréquence, à leur fabrication en salle blanche et à leur mesure en exploitant des techniques de mesure de faible bruit, à la fois dans la gamme proche du continu et dans la gamme des quelques GHz. Il se familiarisera également avec les techniques cryogéniques sous-Kelvin.
Challenging our classical intuition, quantum tunneling has fascinated physicists for decades. Very soon after its discovery, it raised the question of how much time do particles spend under the classically forbidden barrier. Despite its simplicity, such a question is ill defined in terms of quantum observables and does not admit a single answer, thus triggering over the past decades a bunch of different definitions corresponding to different (though) scenarios.
Following a proposal of Büttiker & collaborators [1], we will address this question from the perspective of a well-defined observable: that is, measuring the spectrum of time fluctuations of the number of particles residing within the classically forbidden barrier. The idea is to exploit semiconducting 2D electron gases where electrostatically coupled metallic gates not only can be used to generate the electrostatic potential barrier upon which the electrons are scattered (a Quantum Point Contact), but could be used as well to collect the mirror influence-charges fluctuating in response to the tunneling electrons residing beneath the gate. Despite its conceptual simplicity, implementing such a scenario is a formidable task since it demands collecting a tiny radiofrequency (RF) signal emitted by a huge output-impedance source in a sub-Kelvin (dilution) refrigerator. We will build upon the group’s expertise in RF design and ultra-low noise measurements in cryogenic environments in order to overcome this challenge, notably implementing recently developed high impedance RF matching circuits allowing us to efficiently collect the signal into a RF detection chain.
The student will participate to the radiofrequency design of the samples, to their fabrication in a clean-room environment, and to their measurement exploiting low noise measurement techniques both in the near DC and the few GHz range. He will become familiar with sub-Kelvin cryogenic techniques as well.


References:
[1] Pedersen, van Langen, and Büttiker, Phys. Rev. B 57, 1838 (1998).

Mots clés/Keywords
Transport quantique, effet tunnel
Quantum transport, tunneling effect
Compétences/Skills
Mesures électriques DC et radiofréquences ultra-bas bruit design microondes. - Fabrication en salle blanche de circuit semiconducteurs nano-structurés - cryogénie
Ultra-low noise DC and RF electrical measurements microwave design - Clean-room fabrication of nanostructured semiconducting circuits - Cryogenics

 

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