Manuscrit de la thèse
Résumé :
Les canaux de bord unidimensionnels, chiraux et sans dissipation de l’effet Hall quantique forment l’analogue électrique des fibres optiques, permettant la réalisation d’expériences d’optique quantique électronique où l’on manipule de manière cohérente les trajectoires de paquets d’ondes électroniques. Une série récente de travaux expérimentaux et théoriques a mis en lumière de forts effets de décohérence et de relaxation en énergie provoqués par les interactions entre canaux de bord co-propageants. Dans cette thèse, nous étudions comment les électrons, injectés sur une fenêtre d’énergie étroite au-dessus de la mer de Fermi d’un canal de bord, perdent leur énergie alors qu’ils se propagent à l’échelle du micromètre. Pour ce faire, nous implémentons deux boîtes quantiques comme filtres d’énergie pour effectuer une spectroscopie à énergie résolue de la relaxation dans le régime de Hall quantique au facteur de remplissage deux. Nous avons observé une relaxation remarquable et démontré qu’elle peut être considérablement supprimée modifiant le couplage entre les canaux de bord.
Mots-clés : Relaxation, Spectroscopie, États de bord, L’effet Hall Quantique, Boite Quantiques.
Finite energy relaxation in quantum Hall edge channels
Abstract:
The one-dimensional, chiral and dissipationless edge channels of the quantum Hall effect form the electrical analogue of optical fibers, allowing the implementation of electron quantum optics experiments where one coherently manipulates the trajectories of single electronic wave packets. A recent series of experimental and theoretical works have put into light strong effects of decoherence and energy relaxation caused by interactions with quasiparticles present in neighboring edge channels, capacitively coupled to the edge channel in which the experiment is performed. This coupling leads to new eigenstates challenging the usual representation of excitations in the quantum Hall effect.
We have experimentally investigated the energy relaxation of quasiparticles emitted at a well-defined energy in a quantum Hall edge channel, in presence of a second edge channel co-propagating along the former. Our setup relies on a pair of electrostatically defined quantum dots, used as energy-resolved emitter and detector. Our results, obtained at filling factor 2 of the quantum Hall effect, show that although the propagation over submicron lengths leads to sizable energy relaxation, a small portion of quasiparticles are not affected by energy relaxation even at relatively high energies, up to 150 μeV. Additionally, we investigated simultaneously the charge current and the heat current propagating in the edge channel while relaxation takes place. Surprisingly, we observe that the amount of energy lost during propagation is markedly larger than expected, suggesting that relaxation mechanisms towards external degrees of freedom play an important unexpected role in electron quantum optics experiments.
Furthermore, we have experimentally demonstrated that the relaxation of the quasiparticle peak injected in the outer edge channel can be strongly suppressed by decoupling the edge channel of the neighboring inner co-propagating edge channel. Clear signatures of a reduced relaxation rate have been observed both in the decaying amplitude of the quasiparticle peak and in the amount of energy leaking out of the edge channel.
Keywords: Relaxation, Spectroscopy, Edge Channel, Quantum Hall Effect, Quantum Dots.
Soutenance à l’ Amphi C. Bloch, SPEC Bât.774, Site de l’Orme des Merisiers.
Groupe nano-électronique – SPEC/GNE