Résumé :
Réaliser des expériences d’interférence à quelques électrons est un enjeu majeur de l’optique électronique. Ceci nécessite de disposer d’une source inédite capable d’émettre de manière systématique un nombre arbitraire de quasi-particules formant un paquet d’onde cohérent.
Considérons une source de courant résultant de l’application de pulses de tensions sur un canal unidimensionnel balistique. Généralement, la charge q émise par pulse est accompagnée d’une quantité statistique N+ d’électrons et de trous, de charge totale nulle. Cependant, ces excitations supplémentaires disparaissent pour des pulses Lorentziens. Alors le nombre de quasi-particules émises est certain, et on réalise ainsi une source fiable à n-électrons indiscernables.
Dans ce travail de thèse, nous réalisons cette source en appliquant des pulses de tension sub-nanosecondes sur un contact ponctuel quantique (QPC) réalisé sur une hétérostructure d’GaAs/AlGaAs. Lorsque le QPC n’est pas utilisé à transmission parfaite, le bruit de partition permet de compter le nombre d’excitations. Cette mesure permet de tester la disparition de N+ pour des pulses Lorentziens injectant des charges entières, et apporte également des informations sur la nature des excitations, notamment une spectroscopie des processus d’absorption et d’émission de photon qui leur donnent naissance. Nos expériences comparent des pulses Lorentziens, sinusoïdaux et carrés et montre les particularités de l’excitation générée par les pulses Lorentziens. Les résultats expérimentaux, qui incluent les effets de température, sont en accord quantitatif avec les prédictions théoriques.
Mots-clés : Source à n-électrons, Contact ponctuel quantique, Pulses Lorentziens, Bruit de grenaille, Quasi-particules, Physique mésoscopique.
Towards a n-electron source based on Lorentzian voltage pulses
Injecting a small controlled number of indistinguishable electrons in a quantum ballistic conductor opens the way to new kind of quantum experiments, involving interference with several electrons. This requires the implementation of a yet never done reliable source that can emit a coherent wave-packets of an arbitrary number of electrons above the Fermi sea.
Here we consider an electron source based on short time voltage pulses, which is expected to deliver q quanta of charge per pulse when the flux q=∫eV(t)dt/h is integer[i]. For most of the voltage pulses V(t), this charge is accompagnied by a statistical number N+ of quasi-particles (holes and electrons), the total charge of which being neutral. However, for Lorentzian-shaped voltage pulses, this extra neutral excitation remarkably vanishes, as shown by Ivanov et al.[ii] This leads to a minimal excitation n-electron source, which a reliable number of emitted quasi-particles.
In this thesis we present a first attempt to experimentally implement this n-electron source. Sub-nanosecond pulses are applied on a quantum point contact (QPC) realized in a clean bidimensionnal electron gas of GaAs/AlGaAs heterostructure. When the single channel of the QPC is not perfectly transmitted, shot-noise occurs and reveals the excess number of quasi-particles emitted by the pulses N+. Thus the minimal excitation number of integer Lorentzian pulses can be tested. Moreover, shot-noise gives access to the spectroscopy of the photo-absorption and photon-emission processes that give rise to the excited quasi-particles. In our experiments, the sine, square and Lorentzian shape pulses are compared. The distinct quasi-particles excitations of Lorentzian voltage pulses is demonstrated and results, including finite temperature effects, are in quantitative agreement with the theoretical predictions.
Keywords : n-quasiparticle source, ballistic quantum wire, Quantum point contact, Lorentzian pulses, Shot noise, Quasi-particles, Mesoscopic physics.
[i] G.B. Lesovik and L.S. Levitov, Physical Review Letters, Vol. 72 (1994), pp. 538-541
[ii] Ivanov, Lee and Lesovik, Physical Review B, Vol. 56 (1997), pp. 6839-6850.
SPEC