Master Dispositifs Quantiques - Laboratoire Matériaux et
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
)(tV
sur un contact correspondant
à n quantum d’action suivant la relation universelle:
hndtteV =
!)(
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 ultra-
relativiste 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
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
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