Optique quantique électronique : expériences d’ Hanbury-Brown Twiss et d’Hong Ou Mandel avec des sources d’électrons uniques – 1shot

L’objet de ce projet est d’explorer expérimentalement et théoriquement la possibilité de réaliser, avec des électrons se propageant dans des conducteurs quantiques balistiques, les expériences fondatrices de l’optique quantique. Les analogues électroniques des expériences de Hanbury-Brown et Twiss (HBT) et Hong-Ou-Mandel (HOM) seront étudiés dans le contexte de la physique mésoscopique. La géométrie HBT, où des particules sont émises sur l’un des bras d’entrée d’une séparatrice, permet de démontrer l’émission de particules uniques. Dans l’expérience HOM, 2 particules uniques entrent en collision sur la lame séparatrice et les corrélations des faisceaux de sortie reflètent la statistique quantique des particules. Au-delà de la démonstration de ces expériences fondamentales en matière condensée, le projet vise à mettre en évidence, par la mesure des corrélations aux temps courts, les analogies et les différences entre des bosons sans interactions (photons) et des fermions en interaction (électrons). En effet, des aspects radicalement différents par rapport à l'optique quantique photonique sont attendus du fait de la statistique fermionique qui induit des corrélations quantiques entre particules et du fait de l'interaction de Coulomb entre électrons qui contrôle le temps de vie et la décohérence des paquets d'ondes électroniques.

Le point central de ce projet est d’utiliser les corrélations de type HBT pour explorer la statistique de Fermi et caractériser les effets de l’interaction Coulombienne. Une équipe expérimentale et deux équipes de théoriciens proposent de développer des approches originales pour étudier les corrélations aux temps courts dans les expériences HBT et HOM.

Concrètement, les conducteurs quantiques balistiques considérés sont réalisés dans des gaz bidimensionnels d’électrons de haute mobilité.
Dans le régime d’effet Hall quantique, la propagation des électrons sur des canaux de bords unidimensionnels et chiraux permet de reproduire les dispositifs de l’optique quantique. Par exemple, un contact ponctuel quantique (CPQ) est utilisé comme lame séparatrice. Les expériences proposées utiliseront la source d’électrons uniques récemment développée par l’un des partenaires et analogue aux sources de photons uniques de l’optique. Cette source, basée sur le contrôle capacitif d’une boîte quantique, permet de définir l’énergie des électrons émis et leur temps d’émission à l’échelle subnanoseconde. Enfin, les corrélations haute fréquence entre les courants électriques à la sortie du CPQ seront mesurées et analysées.
Grâce à ces éléments, des expériences HBT et HOM avec des électrons uniques seront réalisées pour la première fois et permettront la mesure du temps de cohérence des excitations électroniques. Ces expériences associées à la manipulation d’électrons uniques monoénergétiques dans des conducteurs quantiques, ouvriront un nouveau champ du transport quantique électronique le rapprochant plus que jamais de l’optique quantique.

Les deux équipes de théoriciens apporteront leur support pour l’interprétation des expériences et exploreront les concepts associés au niveau fondamental. Ceci inclut une caractérisation complète de la source d’électrons uniques prenant en compte l’interaction de Coulomb. On cherchera également à comprendre comment des électrons uniques placés au dessus de la mer de Fermi se propagent et rentrent en collision sur le CPQ. La encore, l’effet des interactions, incluant le nuage de paires électron/trou accompagnant la propagation d’un électron sera pris en compte. La décohérence des paquets d’onde électroniques due aux interactions sera étudiée via les expériences HBT et HOM. De plus, le cas des fortes corrélations associé au régime d’effet Hall Quantique Fractionnaire sera théoriquement abordé ouvrant la voie à de futures expériences avec des quasiparticules aux statistiques exotiques.