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Thèse Année : 2020

Coulomb interaction and electronic quantum coherence in solid-state interferometers

Interactions de Coulomb et cohérence quantique dans les interféromètres électroniques

Résumé

Electronic transport in low temperature and low scale solid-state devices is governed by the laws of quantum mechanics, where the wavelike nature of electrons cannot be overlooked. The resulting effects are well explained when electronic transport is expressed in terms of elementary conductive channels, that are analoguous to optical modes in a waveguide. Quantum Hall edge channels are a direct implementation of such electronic channels and consequently are a platform of choice to study electrical transport at the fundamental level. Notably, they can be used to implement electronic interferometers and in particular, the analogue of a Mach-Zehnder interferometer, which among other realizations, illustrates a promising route toward reproducing quantum optics experiments with electrons. A crucial difference with optics is that Coulomb interaction is ubiquitous in electronic circuits, which both limits the electron quantum coherence and gives rise to exotic correlated phenomena.In this thesis, quantum Hall edge channels were arranged in a Mach-Zehnder geometry in order to study the effect of Coulomb interaction on the electronic quantum coherence. The obtained results are two-fold. First, a strategy based on the suppression of the Coulomb mediated coupling between co-propagating edge channels to highly increase the coherence length was demonstrated. This resulted in an observed coherence length enhanced by over one order of magnitude, reaching a macroscopic length of 0.25mm, a distance visible to the naked eye, at low temperature (10mK). In a second experiment, a small metallic island was introduced on one of the two paths of an eletronic Mach-Zehnder interferometer. An electron remains within such an island much longer than its quantum lifetime, which normally prohibits any quantum coherent propagation of electrons across it. However, when a single channel is connected to this island, and if the latter’s capacitance is small enough to freeze any fluctuation of its global charge, a perfect transmission of the electron quantum state across the island is predicted. This striking prediction prediction was experimentally demonstrated in this thesis. While the first result illustrates how Coulomb interaction can be detrimental to quantum coherence, the second one, on the contrary, shows that it can be harnessed to preserve quantum coherence
Le transport électronique dans les circuits de petites dimensions et plongés à basse température sont gouvernés par les lois de la mécanique quantique, pour lesquelles la nature ondulatoire des électrons ne peut être ignorée. Les effets qui en résultent sont bien expliqués lorsque le transport électronique est exprimé en termes de canaux de conductions élémentaires, analogues aux modes optiques dans un guide d’onde. Les canaux de Hall quantiques sont une implémentation directe de ce type de canaux électroniques et constituent par conséquent une plateforme de choix pour l’étude du transport électrique à un niveau fondamental. Notamment, ils peuvent être utilisés pour fabriquer des interféromètres électroniques, et en particulier, l’analogue de l’interféromètre de Mach-Zehnder, qui entre autres réalisations, illustre une route prometteuse vers la réplication d’expériences d’optique quantique avec des électrons. Une différence cruciale avec l’optique gît cependant dans l’interaction coulombienne, omniprésente dans les circuits électronique et qui à la fois limite la cohérence quantique des électrons, et fait émerger des phénomènes corrélés exotiques.Dans cette thèse, des canaux de Hall ont été agencés dans une géométrie de Mach-Zehnder afin d’observer les effets de l’interaction coulombienne sur la cohérence quantique. Les résultats obtenus se scindent en deux volets. Premièrement, il est démontré l’efficacité d’une stratégie basée sur la suppression du couplage entre canaux médié par l’interaction de Coulomb, dans le but d’augmenter la longueur de cohérence quantique. Il en résulte une longueur de cohérence augmentée de plus d’un ordre de grandeur, atteignant la longueur macroscopique de 0.25mm, une longueur visible à l’œil nu, à basse température (10mK). Dans une seconde expérience, un îlot métallique est introduit sur l’un des deux chemins d’un interféromètre électronique de Mach-Zehnder. Un électron est retenu au cœur d’un tel îlot bien plus longtemps que son temps quantique, ce qui empêche normalement toute propagation cohérente d’électrons le traversant. Cependant, lorsqu’un seul canal électronique est connecté à un tel îlot et que la capacitance de celui-ci est suffisamment petite pour geler toute fluctuation de sa charge globale, une transmission parfaite de l’état quantique des électrons à travers l’îlot est prédite. Cette prédiction contre-intuitive fut expérimentalement démontrée au cours de cette thèse. Alors que le premier résultat illustre comment l’interaction coulombienne peut être nuisible à la cohérence quantique des électrons, le second montre au contraire comment cette interaction de Coulomb peut être exploitée pour préserver la cohérence quantique
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03628475 , version 1 (02-04-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03628475 , version 1

Citer

Hadrien Duprez. Coulomb interaction and electronic quantum coherence in solid-state interferometers. Condensed Matter [cond-mat]. Université Paris Cité, 2020. English. ⟨NNT : 2020UNIP7251⟩. ⟨tel-03628475⟩
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