CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

3 sujets /SPEC/GNE

Dernière mise à jour : 07-07-2020


 

Expérience d'Hong Ou Mandel dans le graphène

SL-DRF-20-0357

Domaine de recherche : Nouveaux paradigmes de calculs, circuits et technologies, dont le quantique
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC)

Groupe Nano-Electronique (GNE)

Saclay

Contact :

Preden Roulleau

Patrice ROCHE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2020

Contact :

Preden Roulleau
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/GNE

0169087311

Directeur de thèse :

Patrice ROCHE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/GNE

0169087216

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/preden.roulleau/

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/GNE/

Voir aussi : https://nanoelectronicsgroup.com/

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 (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 N0 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 interferomètre de Mach Zehnder avec une visibilité record de 88% [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 stage 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, to be submitted to Nature(2019)

Statistique anyonique d'excitation topologiques de charge fractionnaire e/3 et e/5 en Effet Hall Quantique

SL-DRF-20-0704

Domaine de recherche : Physique mésoscopique
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC)

Groupe Nano-Electronique (GNE)

Saclay

Contact :

D. Christian GLATTLI

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2020

Contact :

D. Christian GLATTLI
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/GNE

0169087243

Directeur de thèse :

D. Christian GLATTLI
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/GNE

0169087243

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/24/christian.glattli.html

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/gne/

Voir aussi : https://nanoelectronicsgroup.com/

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 interférences quantique à deux anyons et de révéler leur statistique anyonique.

La thèse demandera 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 ainsi que par détection de charges uniques



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)



Temps de tunneling électronique et ses fluctuations

SL-DRF-20-0484

Domaine de recherche : Physique mésoscopique
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC)

Groupe Nano-Electronique (GNE)

Saclay

Contact :

Carles ALTIMIRAS

Patrice ROCHE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2020

Contact :

Carles ALTIMIRAS
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/GNE

01 69 08 72 16

Directeur de thèse :

Patrice ROCHE
CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/GNE

0169087216

Page perso : http://iramis.cea.fr/spec/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=caltimir

Labo : http://iramis.cea.fr/spec/GNE/

Voir aussi : https://nanoelectronicsgroup.com/

Défiant notre intuition classique, l’effet tunnel a fasciné les physiciens pendant des décennies. Très vite après sa découverte, se posa la question de combien de temps passent les particules qui "tunnellent" sous la barrière classiquement interdite. Malgré son conté intuitif, cette question est mal posée du point de vues des observables quantiques, et n’admet donc pas de réponse unique ce donnant lieu a de multiples définitions correspondantes à différentes expériences de pensée.



Suivant un proposition de Büttiker et collaborateurs [1], nous proposons d’étudier expérimentalement cette question du point de vue d’une observable bien définie: en mesurant le spectre des fluctuations temporelles du nombre des particules se trouvant sous la barrière de potentiel classiquement interdite. L’idée consiste à exploiter des gaz bidimensionnels d’électrons ou des barrières de potentiel sont générées en appliquant un champ électrostatique à des grilles couplées capacitivement. Les même grilles peuvent aussi être utilisées pour collecter les charges miroir qui se développent en réponse aux fluctuations de densité présentes sous la barrière de potentiel et qui sont générées par les électrons qui "tunnellent". Malgré la simplicité conceptuelle, implémenter cette expérience suppose un défi technique, car cela demande de mesurer un petit signal radiofréquence émis par une source de très haute impédance de sortie dans un environnement cryogénique (sub-Kelvin). Afin de répondre à ce défi, nous nous appuierons sur l’expertise du groupe dans le design microondes, ainsi que dans les techniques de mesures RF de très bas bruit dans des environnements cryogéniques, notamment en implémentant des techniques récemment développées pour s’adapter à des hautes impédances [2] nous permettant ainsi de collecter efficacement le signal dans une chaine de détection RF.



Dans un deuxième temps, nous proposons de conduire des expériences similaires dans des conditions expérimentales où l’interaction électron-électron modifie fortement le transport à travers la barrière de potentiel. Notamment, une transition de phase quantique métal/isolant est pilotée par cette interaction lorsqu’un fil 1D présente une impureté, donnant lieu à une dynamique de liquide quantique fortement corrélé [3] (Liquide de Tomonaga-Lutinger). Des études théoriques récentes [4] ont mis en avant que le temps de résidence sous la barrière joue un rôle proéminent dans cette physique, nous souhaitons donc tester ces prédictions pendant la deuxième partie de la thèse.



L’étudiant participera au design microonde des échantillons, à leur fabrication en salle blanche, ainsi qu’à leur mesure en exploitant des techniques de mesure ultra bas bruit dans le proche DC et dans les radiofréquences. Il apprendra aussi les techniques cryogéniques sub-Kelvin en travaillant notamment avec un réfrigérateur à dilution.



Références :

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

[2] Rolland et al., https://arxiv.org/abs/1810.06217

[3] Anthore et al., Phys. Rev. X 8, 031075 (2018)

[4] Altimiras, Portier and Joyez, Phys. Rev. X 6, 031002 (2016)

 

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