Towards a n-electron source based on Lorentzian voltage pulses
Vers une source mésoscopique à n-électrons basée sur des pulses de tensions Lorentziens
Résumé
A major issue of quantum electronics is to achieve interference experiments with a small controlled number of electrons. This requires the implementation of a yet never done reliable source that can inject an arbitrary number of indistinguishable electrons in a mesoscopic conductor. Here we consider an electron source based on short time voltage pulses, that delivers q quanta of charge per pulse. For most of the voltage pulses, 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, N+ remarkably vanishes. This leads to a minimal excitation n-electron source, with 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 two-dimensionnal 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 N+ of quasi-particles emitted by the pulses. Thus the property of the minimal excitation number of the integer Lorentzian pulses can be tested. Moreover, shot-noise gives access to the spectroscopy of the absorption and emission processes of photons that give rise to the excited quasi-particles. In our experiments, the sine, square and Lorentzian shape pulses are compared. The distinct character of the quasi-particles excitations of Lorentzian pulses is demonstrated and results are in quantitative agreement with the theoretical predictions at finite temperature.
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.