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Reflets de la physique

Interférences de type Young avec une source à un seul électron

F. Frémont, Anas Hajaji, R O Barrachina, J.-Y. Chesnel

Published Jul 1, 2008• 0 citations
Publisher

Abstract

Des interférences dues à la diffusion d’un électron unique sur deux protons, qui jouent le rôle de deux trous de Young, ont été mises en évidence expérimentalement pour la première fois. L’électron provient de l’auto-ionisation de l’hélium excité après capture de deux électrons de la molécule H2 par un projectile He2+. Ces interférences se manifestent par l’apparition d’oscillations d’intensité dans la distribution angulaire des électrons diffusés. La présence de ces oscillations prouve qu’un électron peut interférer avec lui-même. L’expérience présente est analogue a une expérience de pensée imaginée par Feynman en 1963.

DOI
10.1051/refdp/2008014

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Interférences de type Young avec une source à un seul électron

F. Frémont, Anas Hajaji, R O Barrachina +1 more

Des interférences dues à la diffusion d'un électron unique sur deux protons, qui jouent le rôle de deux trous d'Young, ont été mises en évidence expérimentalement pour la première fois. L'électron provient de l'autoionisation de l'hélium excité après capture des deux électrons de la molécule H 2 par un projectile He 2+ . Ces interférences se manifestent par l'apparition d'oscillations dans la distribution angulaire des électrons diffusés. La présence de ces oscillations prouve qu'un électron peut interférer avec lui-même. Cette expérience est analogue à l'expérience de pensée imaginée par Feynman en 1963, dans laquelle il retrace le devenir d'un électron après traversée de deux fentes rapprochées.

Comptes Rendus Physique•Apr 1, 2008•6 citations

Réalisation d'une expérience d'interférences électroniques de type-Young avec une source d'électron unique

Anas Hajaji

L’experience d’interferences de type Young avec un systeme interferentiel a l’echelle atomique et une source d’electron unique a ete realisee avec succes. L’electron provient de l’autoionisation de l’helium doublement excite (2lnl’ n ≥ 2), apres capture des deux electrons d’une cible moleculaire H2 par un ion projectile He2+. En se desexcitant par autoionisation, l’atome He** constitue une source d’electron unique independante de l’interferometre compose par les deux protons H+ de la molecule H2 completement ionisee. Nous avons mesure les distributions en energie et en angle des electrons emis lors de collisions He2+ + H2. Les spectres obtenus font apparaitre des pics associes aux electrons Auger emis par le projectile He**. Chaque electron Auger diffuse de facon coherente sur les deux centres H+ de la molecule cible. Le systeme interferentiel H+-H+ est systematiquement detruit apres avoir ete traverse par un seul electron. De cette maniere, une experience d’interference elementaire a electron unique est realisee. En repetant un grand nombre de fois cette experience elementaire, le phenomene d’interference a electron unique se manifeste par l’apparition d’oscillations dans la distribution angulaire des electrons diffuses. Pour la collision 3He2+ + H2 a 30 keV, les oscillations presentent une periode de ~ 17° proche de la valeur obtenue theoriquement. Ces oscillations observees pour la premiere fois avec des electrons uniques envoyes sur un systeme interferentiel a l’echelle atomique constituent une preuve experimentale qu'un electron interfere avec lui-meme.

•Jan 1, 2009•0 citations

Electron interference in the collision He2+ + H2 : A complete analogy with photon interference

B S Frankland

Le phenomene d’interferences obtenu suite a une collision entre un projectile He2+ de basse energie et une cible H2 a ete etudie experimentalement et theoriquement. La premiere partie de la these est consacree a un recapitulatif historique sur les experiences d’interferences avec les electrons. L’experience realisee par notre groupe et les premiers resultats obtenus sont rappeles. Une analyse plus approfondie des resultats experimentaux mettant en evidence la possibilite d’etendre l’analogie entre les interferences electroniques et photoniques est presentee. Une nouvelle experience d’interferences photoniques realisee montre clairement que des oscillations observees dans les distributions angulaires ont des origines multiples : la largeur et la position maximum de la distribution de longueur d’onde. Deux modeles susceptibles de reproduire les resultats experimentaux sont consideres. Le modele le plus simplifie base sur la difference de marche entre les chemins pris par l’electron pour aller jusqu’au detecteur est d’abord presente. Les resultats obtenus dans le cadre de ce modele sont en accord avec les resultats experimentaux. Un second modele, base sur la mecanique quantique, ne reproduit pas les resultats experimentaux. La raison de cet echec et les limites de ce modele sont explicitees. Les perspectives experimentales et theoriques qui permettront de mieux comprendre le phenomene d’interferences electroniques sont detaillees dans la conclusion.

•Jan 1, 2013•0 citations

Source de photons uniques et interférences à un seul photon. De l'expérience des fentes d'Young au choix retardé.

V. Jacques

Ce mémoire est divisé en deux parties indépendantes. Dans la première partie, nous étudions la dualité onde-corpuscule pour un photon unique émis par excitation impulsionnelle d'un centre coloré NV individuel dans un nanocristal de diamant. Nous présentons dans un premier temps une expérience d'interférence à un photon réalisée avec un biprisme de Fresnel et par conséquent très proche conceptuellement de l'expérience standard des trous d'Young. Cette expérience permet de discuter de la complémentarité entre interférence et connaissance du chemin suivi par la particule dans l'interféromètre. Pour pénétrer davantage dans les problèmes conceptuels soulevés par la dualité onde-corpuscule, nous décrivons ensuite la réalisation expérimentale de l'expérience de pensée de "choix retardé", qui fût proposée par J. A. Wheeler au début des années soixante-dix. La deuxième partie du mémoire est dédiée à l'amélioration des performances de sources de photons uniques. Nous décrivons ainsi la mise au point d'une nouvelle source de photons uniques fondée sur l'émission d'un centre coloré individuel à base d'impuretés de nickel dans le diamant, dont les propriétés d'émission sont bien adaptées à la cryptographie quantique en espace libre. Nous avons également mis en oeuvre une technique originale qui améliore de façon significative la photostabilité de molécules individuelles à température ambiante.

•Nov 13, 2007•1 citation

Etude expérimentale de propriétés non-classique de la lumière; interférences à un seul photon

Philippe Grangier

Ce mémoire décrit plusieurs expériences pour lesquelles la quantification du champ électromagnétique joue un rôle essentiel dans la description théorique et la compréhension physique des phénomènes observés. En particulier, la nécessité de cette quantification apparaît à travers la mise en évidence d'un état d'un champ très proche d'un état de Fock, dans lequel un seul quantum est excité (état à un seul photon). Un état à un seul photon peut être caractérisé en utilisant deux photomultiplicateurs placés de part et d'autre d'une lame semi-réfléchissante : la probabilité d'observer deux photodétections pendant un temps w doit être beaucoup plus petite que le produit des probabilités de photodétections simples pendant le même temps. Cette propriété "non-classique", que nous désignons par le terme d'anticorrélation, est mise en évidence expérimentalement pour une cascade radiative du Calcium, en utilisant des techniques de comptages rapides. Nous avons ensuite réalisé une expérience d'interférences, avec la lumière ayant permis d'observer l'effet d'anticorrélation. En utilisant un interféromètre de Mach-Zehnder réglé au voisinage de la teinte plate, le contraste mesuré des franges d'interférences a été supérieur à 98%, en parfait accord avec les performances calculées de l'interféromètre. Nous présentons enfin deux autres expériences, qui illustrent de façon plus générale la notion d'interférence à un photon : une expérience de battements quantiques dans une cascade radiative excitée de façon continue, et un effet d'interférence apparaissant dans la fluorescence d'un système de deux atomes, obtenus par photodissociation d'une molécule Ca2 par une impulsion laser.

•Sep 15, 1986•10 citations

Electron-quantum-optics experiments at the single particle level

Hermann Edlbauer

Expériences d'optique quantique électronique à l'échelle d'une seule particule Au cours des 25 dernières années, il n'y a eu que quelques rapports sur des expériences de type optique quantique avec des électrons.Les progrès réalisés dans ce récent domaine de recherche ont permis de mettre au point des techniques originales pour piéger, déplacer et manipuler les électrons dans des dispositifs à l'état solide.Ces progrès ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude de phénomènes quantiques fascinants tels que l'effect tunnel ou l'intrication avec les électrons.En raison de la contrôlabilité exigée dans les implémentations possibles de circuits logiques quantiques, il est maintenant particulièrement intéressant de réaliser des expériences d'optique quantique électronique avec des électrons volants uniques.Dans cette thèse, nous abordons deux expériences liées, mais conceptuellement différentes, d'optique quantique électronique au niveau de la particule unique.Toutes les expériences menées dans le cadre de cette thèse ont été réalisées à des températures cryogéniques avec des dispositifs définis par Schottky-gates dans des hétérostructures AlGaAs/GaAs.Tout d'abord, nous effectuons une expérience d'interférence d'électrons de type Mach-Zehnder dans le régime de transport balistique.En formant un grand point quantique dans l'une des branches de l'interféromètre, nous étudions le déphasage de la fonction d'onde d'un électron transmis de façon résonnante.Au cours de nos mesures, nous trouvons des signatures d'un comportement de transmission qui reflète les symétries internes des états propres des boîtes quantiques.Nos résultats mettent en lumière la question de longue date d'un comportement de phase de transmission universelle dans des boîtes quantiques en grand taille.Nous avons ainsi posé un jalon important vers une compréhension globale de la transmission par résonance d'électrons volants simples par des boîtes quantiques.Dans une deuxième expérience, nous allons au-delà du régime de transport balistique.Nous utilisons des ondes acoustiques de surface pour transporter un seul électron entre les boîtes quantiques définies par la grille de surface dans un circuit couplé par l'effect tunnel.Nous développons deux blocs de base essentiels pour partitionner et coupler les électrons volants simples dans un tel circuit piloté par le son.En dépassant une efficacité de transfert simple de 99 %, nous montrons qu'un circuit électronique quantique piloté par le son est réalisable à grande échelle.Nos résultats ouvrent la voie à des opérations de logique quantique avec des qubits d'électrons volants qui surfent sur une onde acoustique.

•Jul 9, 2019•1 citation
Des interférences dues à la diffusion d’un électron unique sur deux protons, qui jouent le rôle de deux trous de Young, ont été mises en évidence expérimentalement pour la première fois. L’électron provient de l’auto-ionisation de l’hélium excité après capture de deux électrons de la molécule H2 par un projectile He2+. Ces interférences se manifestent par l’apparition d’oscillations d’intensité dans la distribution angulaire des électrons diffusés. La présence de ces oscillations prouve qu’un électron peut interférer avec lui-même. L’expérience présente est analogue a une expérience de pensée imaginée par Feynman en 1963.
Des interférences dues à la diffusion d'un électron unique sur deux protons, qui jouent le rôle de deux trous d'Young, ont été mises en évidence expérimentalement pour la première fois. L'électron provient de l'autoionisation de l'hélium excité après capture des deux électrons de la molécule H 2 par un projectile He 2+ . Ces interférences se manifestent par l'apparition d'oscillations dans la distribution angulaire des électrons diffusés. La présence de ces oscillations prouve qu'un électron peut interférer avec lui-même. Cette expérience est analogue à l'expérience de pensée imaginée par Feynman en 1963, dans laquelle il retrace le devenir d'un électron après traversée de deux fentes rapprochées.
L’experience d’interferences de type Young avec un systeme interferentiel a l’echelle atomique et une source d’electron unique a ete realisee avec succes. L’electron provient de l’autoionisation de l’helium doublement excite (2lnl’ n ≥ 2), apres capture des deux electrons d’une cible moleculaire H2 par un ion projectile He2+. En se desexcitant par autoionisation, l’atome He** constitue une source d’electron unique independante de l’interferometre compose par les deux protons H+ de la molecule H2 completement ionisee. Nous avons mesure les distributions en energie et en angle des electrons emis lors de collisions He2+ + H2. Les spectres obtenus font apparaitre des pics associes aux electrons Auger emis par le projectile He**. Chaque electron Auger diffuse de facon coherente sur les deux centres H+ de la molecule cible. Le systeme interferentiel H+-H+ est systematiquement detruit apres avoir ete traverse par un seul electron. De cette maniere, une experience d’interference elementaire a electron unique est realisee. En repetant un grand nombre de fois cette experience elementaire, le phenomene d’interference a electron unique se manifeste par l’apparition d’oscillations dans la distribution angulaire des electrons diffuses. Pour la collision 3He2+ + H2 a 30 keV, les oscillations presentent une periode de ~ 17° proche de la valeur obtenue theoriquement. Ces oscillations observees pour la premiere fois avec des electrons uniques envoyes sur un systeme interferentiel a l’echelle atomique constituent une preuve experimentale qu'un electron interfere avec lui-meme.
Le phenomene d’interferences obtenu suite a une collision entre un projectile He2+ de basse energie et une cible H2 a ete etudie experimentalement et theoriquement. La premiere partie de la these est consacree a un recapitulatif historique sur les experiences d’interferences avec les electrons. L’experience realisee par notre groupe et les premiers resultats obtenus sont rappeles. Une analyse plus approfondie des resultats experimentaux mettant en evidence la possibilite d’etendre l’analogie entre les interferences electroniques et photoniques est presentee. Une nouvelle experience d’interferences photoniques realisee montre clairement que des oscillations observees dans les distributions angulaires ont des origines multiples : la largeur et la position maximum de la distribution de longueur d’onde. Deux modeles susceptibles de reproduire les resultats experimentaux sont consideres. Le modele le plus simplifie base sur la difference de marche entre les chemins pris par l’electron pour aller jusqu’au detecteur est d’abord presente. Les resultats obtenus dans le cadre de ce modele sont en accord avec les resultats experimentaux. Un second modele, base sur la mecanique quantique, ne reproduit pas les resultats experimentaux. La raison de cet echec et les limites de ce modele sont explicitees. Les perspectives experimentales et theoriques qui permettront de mieux comprendre le phenomene d’interferences electroniques sont detaillees dans la conclusion.
Ce mémoire est divisé en deux parties indépendantes. Dans la première partie, nous étudions la dualité onde-corpuscule pour un photon unique émis par excitation impulsionnelle d'un centre coloré NV individuel dans un nanocristal de diamant. Nous présentons dans un premier temps une expérience d'interférence à un photon réalisée avec un biprisme de Fresnel et par conséquent très proche conceptuellement de l'expérience standard des trous d'Young. Cette expérience permet de discuter de la complémentarité entre interférence et connaissance du chemin suivi par la particule dans l'interféromètre. Pour pénétrer davantage dans les problèmes conceptuels soulevés par la dualité onde-corpuscule, nous décrivons ensuite la réalisation expérimentale de l'expérience de pensée de "choix retardé", qui fût proposée par J. A. Wheeler au début des années soixante-dix. La deuxième partie du mémoire est dédiée à l'amélioration des performances de sources de photons uniques. Nous décrivons ainsi la mise au point d'une nouvelle source de photons uniques fondée sur l'émission d'un centre coloré individuel à base d'impuretés de nickel dans le diamant, dont les propriétés d'émission sont bien adaptées à la cryptographie quantique en espace libre. Nous avons également mis en oeuvre une technique originale qui améliore de façon significative la photostabilité de molécules individuelles à température ambiante.
Ce mémoire décrit plusieurs expériences pour lesquelles la quantification du champ électromagnétique joue un rôle essentiel dans la description théorique et la compréhension physique des phénomènes observés. En particulier, la nécessité de cette quantification apparaît à travers la mise en évidence d'un état d'un champ très proche d'un état de Fock, dans lequel un seul quantum est excité (état à un seul photon). Un état à un seul photon peut être caractérisé en utilisant deux photomultiplicateurs placés de part et d'autre d'une lame semi-réfléchissante : la probabilité d'observer deux photodétections pendant un temps w doit être beaucoup plus petite que le produit des probabilités de photodétections simples pendant le même temps. Cette propriété "non-classique", que nous désignons par le terme d'anticorrélation, est mise en évidence expérimentalement pour une cascade radiative du Calcium, en utilisant des techniques de comptages rapides. Nous avons ensuite réalisé une expérience d'interférences, avec la lumière ayant permis d'observer l'effet d'anticorrélation. En utilisant un interféromètre de Mach-Zehnder réglé au voisinage de la teinte plate, le contraste mesuré des franges d'interférences a été supérieur à 98%, en parfait accord avec les performances calculées de l'interféromètre. Nous présentons enfin deux autres expériences, qui illustrent de façon plus générale la notion d'interférence à un photon : une expérience de battements quantiques dans une cascade radiative excitée de façon continue, et un effet d'interférence apparaissant dans la fluorescence d'un système de deux atomes, obtenus par photodissociation d'une molécule Ca2 par une impulsion laser.
Expériences d'optique quantique électronique à l'échelle d'une seule particule Au cours des 25 dernières années, il n'y a eu que quelques rapports sur des expériences de type optique quantique avec des électrons.Les progrès réalisés dans ce récent domaine de recherche ont permis de mettre au point des techniques originales pour piéger, déplacer et manipuler les électrons dans des dispositifs à l'état solide.Ces progrès ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude de phénomènes quantiques fascinants tels que l'effect tunnel ou l'intrication avec les électrons.En raison de la contrôlabilité exigée dans les implémentations possibles de circuits logiques quantiques, il est maintenant particulièrement intéressant de réaliser des expériences d'optique quantique électronique avec des électrons volants uniques.Dans cette thèse, nous abordons deux expériences liées, mais conceptuellement différentes, d'optique quantique électronique au niveau de la particule unique.Toutes les expériences menées dans le cadre de cette thèse ont été réalisées à des températures cryogéniques avec des dispositifs définis par Schottky-gates dans des hétérostructures AlGaAs/GaAs.Tout d'abord, nous effectuons une expérience d'interférence d'électrons de type Mach-Zehnder dans le régime de transport balistique.En formant un grand point quantique dans l'une des branches de l'interféromètre, nous étudions le déphasage de la fonction d'onde d'un électron transmis de façon résonnante.Au cours de nos mesures, nous trouvons des signatures d'un comportement de transmission qui reflète les symétries internes des états propres des boîtes quantiques.Nos résultats mettent en lumière la question de longue date d'un comportement de phase de transmission universelle dans des boîtes quantiques en grand taille.Nous avons ainsi posé un jalon important vers une compréhension globale de la transmission par résonance d'électrons volants simples par des boîtes quantiques.Dans une deuxième expérience, nous allons au-delà du régime de transport balistique.Nous utilisons des ondes acoustiques de surface pour transporter un seul électron entre les boîtes quantiques définies par la grille de surface dans un circuit couplé par l'effect tunnel.Nous développons deux blocs de base essentiels pour partitionner et coupler les électrons volants simples dans un tel circuit piloté par le son.En dépassant une efficacité de transfert simple de 99 %, nous montrons qu'un circuit électronique quantique piloté par le son est réalisable à grande échelle.Nos résultats ouvrent la voie à des opérations de logique quantique avec des qubits d'électrons volants qui surfent sur une onde acoustique.