Advances in quantum nanoelectronics enable the observation of interference between electrons in a conductor, as photons do in optics, or to measure their quantum noise (or Schottky noise, the electron equivalent of photon noise, linked to the discrete nature of particles).
To complete this quantum electronic optics, a simple and reliable on-demand electron source is needed. The difficulty lay in the fact that, unlike photons moving in vacuum, a conductor already contains charges that are ready to move when an electron is injected.
Following a proposal made almost twenty years ago by L. Levitov, a theorist at MIT, SPEC researchers have succeeded in injecting a whole number of electrons into the conductor without disturbing it by applying Lorentzian voltage pulses. These generate a fundamental excitation related to solitons, which they have called “Levitons”. This breakthrough, to be published in the journal Nature, opens up new perspectives in quantum physics beyond the field of nanoelectronics: atomic Levitons could similarly be produced with cold atoms (fermion gases)
Le contrôle de l’état initial d’un système quantique est un point clé pour réaliser des opérations en information quantique. Bien maîtrisé avec des systèmes de petit nombre de degré de libertés (atomes, photons, boîtes quantiques, etc…), il est plus difficile pour une assemblée de fermions comme des atomes froids ou un conducteur électrique, car toute perturbation temporelle nécessaire pour créer l’état initial souhaité affecte l’ensemble du système. Ainsi l’injection soudaine d’un électron dans un conducteur crée des excitations indésirables : des paires électron-trous. C’est ce qui est observé lorsqu’un électron localisé dans une boîte quantique ou un îlot métallique est soudainement émis vers un conducteur.
Pourtant une approche simple a été suggérée : appliquer une impulsion de courant sur un contact de telle façon que la charge injectée soit multiple de celle de l’électron. Mais pas n’importe quel impulsion : seule une forme temporelle Lorentzienne est capable d’éviter les excitations de paires électrons-trous indésirables. Suivant cette approche, les chercheurs du SPEC ont utilisé un conducteur appelé “Contact Ponctuel Quantique” (CPQ) et appliqué des impulsions de quelques dizaines de ps sur un contact adjacent et mesuré le bruit en courant mesuré. Les électrons injectés et les éventuels trous créés sont diffusés de façon probabiliste par le conducteur quantique, et le niveau de bruit est une mesure du nombre total d’excitations mises en jeux. Seules les impulsions Lorentziennes, générant des électrons sous forme de Lévitons, donnent une absence de bruit.
Cette mise en évidence du Léviton demandait de maîtriser les mesures du bruit quantique dans des conducteurs pour lesquelles le groupe Nanoélectronique a été pionnier. Grâce à un fort soutien Européen avec l’attribution fin 2008 du financement ERC Advanced Grant MeQuaNo (pour Mesocopic Quantum Noise), ce projet a pu disposer d’une plateforme de mesure performante combinant génération de pulses sub-nanosecondes, ultra-basse température et sensibilité en bruit de quelques femto ampères.
Outre leur intérêt en physique quantique, le principe sous-jacent à la génération de Lévitons (injection d’une charge entière dans un conducteur par une impulsion de forme lorentzienne adaptée) repose sur une propriété remarquable de modulation des ondes qui pourrait avoir des applications dans le monde classique, comme pour la génération d’ondelettes.
References :
– Electron counting statistics and coherent states of electric current,
L. S. Levitov, H. Lee, and G. Lesovik, J. Math. Phys. 37, 4845 (1996)
– 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 (2013) 659.
– CEA press release CEA. (on the web site of the CNRS).
– Highlight by Hamish Johnston, PhysicsWorld.com editor.
Contact CEA : D. Christian Glattli, IRAMIS/Service de Physique de l’Etat Condensé
This work was carried out as part of the ERC “Advanced Grant 2008” contract led by D.C. Glattli: MeQuaNo (Mesoscopic quantum noise: from few electron statistics to shot noise based photon detection).
