Master Dispositifs Quantiques - Laboratoire Matériaux et
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MASTER PHYSIQUE ET APPLICATIONS 2ème année Master Dispositifs Quantiques Spécialité Dispositifs Quantiques, Matériaux, Imagerie Proposition de stage 2009-2010 Laboratoire: Nano-électronique / Service de Physique de l’Etat Condensé CEA Saclay Directeur du laboratoire: Christian GLATTLI Adresse: SPEC, Bat. 772, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Responsable(s) du stage: D!. C. Glattli Téléphone: 06 07 06 05 01 / 01 69 08 72 43 e-mail: [email protected] Statistique quantique d’électrons dans des conducteurs mésoscopiques Projet scientifique!: Quelle elle est la statistique de répartition de n électrons injectés à un instant donné dans un conducteur quantique et arrivant dans différents contacts [1]? Ce problème générique, connu en optique quantique pour des photons, n’a jamais encore été abordé expérimentalement de manière directe pour des électrons sous la forme de comptage d’électrons. Grâce à la maîtrise maintenant courante au laboratoire de conducteurs quantiques balistiques, il est possible de transposer des expériences d’optique quantique, les électrons jouant le rôle de photons. Le problème de la statistique quantique de quelques électrons généralise la notion de bruit quantique électronique et permet d’aborder de nouvelles formes d’intrication induites par la statistique de Fermi. Le stage proposé se fera dans le cadre d’un nouveau projet retenu par l’European Research Council et démarré en 2009. Deux enjeux majeurs pour la réalisation du programme scientifique sont l’injection cohérente de n=1 à 10 électrons dans un conducteur balistique [1] et la mesure exacte du nombre d’électrons arrivé dans les contacts. L’injection de ‘déterminants de Slater’ à n electrons [2] dans un conducteur balistique et leur détection ouvre la voie à toute une nouvelle physique quantique. Pratiquement le stage portera sur la mise au point expérimentale de l’injection de n électrons en appliquant des pulses de tension V (t ) sur un contact correspondant à n quantum d’action suivant la relation universelle: ! eV (t ) dt = n h Après le stage une thèse pourra être proposée portant sur la détection résolue en charge élémentaire pour compter le nombre d'électrons arrivant dans un contact. La détection de charge peut être vue comme l'équivalent pour des électrons de la détection de photons uniques. Complémentaire de l'injection d'un nombre quantifié d'électrons, en cours de développement, elle permettra un mesure complète de la statistique d'électrons et ouvrira la voie à de nouveaux types d'expériences quantiques. Un goût prononcé pour les problèmes fondamentaux de physique quantique est souhaité ainsi que pour le développement d’instrumentation. [1] L. Levitov et al. coherent states of electric current," J. of Math. Phys., 37, pp. 4845-4866 ; Levitov, L.S. and Lesovik, G.B. (1993) Charge Distribution in Quantum Shot Noise, JETP Lett., 58, pp. 230-23 [2] F. Hassler et al, ``Wavepacket formalism of full counting statistics’’ cond-mat arXiv :0802.0143v1 Techniques utilisées : nanolithographie, cryogénie, micro-ondes, mesures de bruit en courant ultra-sensible Qualités du candidat!requises : goût prononcé pour la physique quantique et l’expérimentation. Possibilité de poursuivre en thèse!? OUI Mode de financement éventuel ? CFR (contrat thèse CEA) MASTER PHYSIQUE ET APPLICATIONS 2ème année Master Dispositifs Quantiques Spécialité Dispositifs Quantiques, Matériaux, Imagerie Proposition de stage 2009-2010 Laboratoire: Nano-électronique / Service de Physique de l’Etat Condensé CEA Saclay Directeur du laboratoire: Christian GLATTLI Adresse: SPEC, Bat. 772, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Responsable(s) du stage: D!. C. Glattli Téléphone: 06 07 06 05 01 / 01 69 08 72 43 e-mail: [email protected] GRAPHENE : Effet Hall Quantique et bruit photo-assisté sous irradiation THz Projet scientifique!: Le Graphene est le matériau ultime à deux dimensions qui possède des propriétés électroniques fascinantes du point de vue fondamental et même des applications. Les électrons y obéissent une équation de Dirac ultrarelativiste faisant du Graphene un conducteur quantique aux lois de symétrie particulières. Ils s’agit d’une physique très récente, les propriétés de Graphene ne sont accessibles que depuis cinq ans, et les aspects théoriques ou expérimentaux sont loin d’être totalement explorés. Le laboratoire explore les propriétés quantiques de ce matériau suivant différents axes pour sonder la cohérence quantique dans ce matériau avec différents outils comme des mesures de bruit de grenaille électronique quantique, sensible à la quantification de la charge, et l’effet quantique photo-assisté à basse température dans le domaine de photons millimétriques. Le stage portera sur le régime de fort champ magnétique où le Graphene donne lieu à un Effet Hall quantique anormal (voir figure) très différent de celui-ci observé dans des conducteurs usuels. La maîtrise de ce régime et les champs magnétique importants disponibles dans le groupe Nanoélectronique nous permettent maintenant d’étudier pour la première fois sans le domaine millimétrique les excitations collectives, dites magnéto-plasmons de bord (programme du stage proposé). A la suite du stage, une thèse pourra être proposée portant sur des effets de cohérence quantique sous irradiation micro-onde (jusqu’au THz). La mesure du bruit de grenaille photo-assisté résultant donnera lieu à la réalisation d’un nouveau type de photodétecteur universels. Sur le plan de la physique fondamental, la création des excitations electrons-trous de part et d’autre de la mer de Fermi sour l’effet de l’irration THz devrait permettre de révéler l’effet de Zitterbewegung prédit pour les électrons de Dirac ultrarelativistes dans le Graphène. Ce stage fait partie d’un projet MeQuaNo retenu par l’European Research Council (2009) Techniques utilisées : nanolithographie, micro-ondes GHz au THz, Raman, mesures de bruit ultra-sensibles Qualités du candidat!requises : goût prononcé pour la physique quantique et l’instrumentation. Possibilité de poursuivre en thèse!? OUI Mode de financement éventuel ? CFR (contrat thèse CEA) MASTER PHYSIQUE ET APPLICATIONS 2ème année Master Dispositifs Quantiques Spécialité Dispositifs Quantiques, Matériaux, Imagerie Proposition de stage 2009-2010 Laboratoire: SPEC/IRAMIS/DSM/CEA-Saclay Directeur du laboratoire: Eric Vincent Adresse: Orme des merisiers, 91191 Gif-sur-Yvette Cédex Responsable(s) du stage: Fabien Portier Téléphone: 0169087216 e-mail: [email protected] Bruit de grenaille quantique à fréquence finie et statistique photonique Projet scientifique!: Quel est la statistique des photons émis par un courant électrique fluctuant ? Glauber (Phys. Rev. 130, 2529 (1963)), a apporté une première réponse en montrant qu’un courant classique émettait un rayonnement présentant des fluctuations photoniques Poissoniennes. En dépit de leur grand intérêt, aussi bien fondamental que pour des applications en cryptographie quantique, les sources de photons ‘silencieuses’, c'est-à-dire présentant des fluctuations sous-Poissoniennes demeurent à ce jour peu nombreuses. Le but de ce projet est de montrer, suivant une proposition de Beenakker et Schomerus (Phys. Rev. Lett. 93, 096801 (2004)), qu’un conducteur quantiquement cohérent peut constituer une telle source de rayonnement électromagnétique. On peut ainsi 'imprimer' le caractère sous-Poissonnien des fluctuations de courant électrique dû à la nature fermionique des électrons aux photons rayonnés. Toutefois, il faut utiliser un conducteur présentant peu de modes de conductions électroniques (un point contact quantique réalisé dans un gaz bidimensionnel d'électrons), travailler à basse température (30 mK), et appliquer des tensions de polarisation suffisamment faibles pour éviter que le bunching des photons ne détruise l'effet. La principale difficulté expérimentale réside entre le décalage entre l'impédance du point contact quantique (de l'ordre de quantum de résistance h/e2, 25.9k_), et celle de l'environnement électromagnétique où les photons sont émis (50 _). Nous avons déjà montré qu'on peut compenser cet écart grâce à un transformateur d'impédance quart d'onde, ce qui nous a permis de mesurer la puissance de bruit émise par un QPC (E. Zakka-Bajjani et al, Phys. Rev. Lett. 99, 236803 (2007)). Nous avons ensuite développé une méthode originale de corrélation de puissance qui nous a permis de déterminer la statistique des photons émis par une jonction tunnel (E. Zakka-Bajjani soumis à Phys. Rev. Lett.). Le but du stage et de la thèse est d'améliorer l'adaptation entre l'impédance de détection et l'impédance du point contact quantique en utilisant les plasmons du gaz bidimensionnel d'électrons afin de démontrer le caractère sous-Poissoniens des photons émis. Techniques utilisées!: Cryogénie, électronique micro-ondes à bas bruit, nano-fabrication Qualités du candidat!requises : Possibilité de poursuivre en thèse!? OUI Mode de financement éventuel ? CFR CEA
