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Optique quantique électronique dans les canaux de bord de l'effet Hall quantique

By Erwann Bocquillon

Abstract

This thesis is devoted to the implementation of quantum optics experiments in a ballistic quantum conductor, with single charge resolution. A mesoscopic capacitor produces on-demand single-electron excitations in the outermost edge channel of quantum Hall effect. We measure current fluctuations after partitioning of excitations on an electronic beamsplitter, in analogy with the Hanbury-Brown & Twiss experiment, so as to unveil neutral excitations (electron/holes pairs) that can accompany the emission of the charge. Thermal excitations in the Fermi sea are then responsible for two-particle interferences that yield information on the energy distribution of the generated quasiparticles. Using two independent and synchronized sources, we generate two indistinguishable quasiparticles that interfere on a beamsplitter as in the Hong-Ou-Mandel experiment. The visibility of this phenomenon could be limited by decoherence of the wavepackets due to interactions with the environment and especially with other co-propagating edge channels. By measuring the capacitive coupling between two co-propagating edge channels, we characterize the effects of Coulomb interaction on propagation and highlight a neutral mode of propagation. These experiments constitute the first implementations of electron quantum optics experiments with single charges. They pave the way to more complex experiments such as the tomography of a mono-electronic wavepacket.Cette thèse est consacrée à la manipulation d'excitations mono-électroniques dans un conducteur quantique balistique, par l'implémentation d'expériences d'optique quantique électronique avec la résolution d'une charge élémentaire. Une capacité mésoscopique produit à la demande des excitations monoélectroniques dans le canal de bord externe de l'effet Hall quantique. Nous mesurons les fluctuations de courant après partitionnement des excitations sur une lame séparatrice électronique, dans un analogue de l'expérience de Hanbury-Brown & Twiss, afin de révéler les excitations neutres (paires électron/trou) qui peuvent accompagner la charge produite. Les excitations thermiques dans la mer de Fermi sont alors responsables d'interférences à deux particules qui permettent d'obtenir des informations sur la distribution en énergie des quasiparticules émises par la source. A l'aide de deux sources indépendantes et synchronisées, nous générons deux quasi-particules indiscernables, qui interfèrent sur une lame séparatrice dans un analogue de l'expérience de Hong-Ou-Mandel. La visibilité de ce phénomène est possiblement limité par la décohérence des paquets d'ondes électroniques par interaction avec l'environnement, notamment les autres canaux de bords. En mesurant le couplage capacitif entre deux canaux de bords co-propageant, nous caractérisons les effets de l'interaction coulombienne et mettons en évidence un mode neutre de propagation. Ces expériences constituent les premières implémentations d'expériences d'optique quantique électronique avec des charges uniques, et permettent d'envisager des expériences plus complexes comme la tomographie d'un paquet d'onde mono-électronique

Topics: mesoscopic physics, electron quantum optics, quantum Hall effect, subnanosecond coherent electron dynamics, single electron source, current fluctuations, physique mésoscopique, optique quantique électronique, effet Hall quantique, dynamique électronique cohérente subnanoseconde, source d'électrons uniques, fluctuations de courant, [ PHYS.COND.CM-MSQHE ] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect [cond-mat.mes-hall]
Publisher: HAL CCSD
Year: 2012
OAI identifier: oai:HAL:tel-00778978v1
Provided by: Hal-Diderot
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