La dynamique d'un système quantique est très sensible à la dimensionnalité. Alors que les systèmes électroniques à deux dimensions forment les liquides de Fermi, les systèmes à une dimension - les liquides de Tomonaga – Luttinger - sont décrits par des excitations purement bosoniques, même s’ils sont initialement constitués de fermions. Avec l'avènement de sources cohérentes à un seul électron, la dynamique quantique d'un tel liquide est maintenant accessible au niveau d'un seul électron.Dans ce travail de thèse, nous étudions le cas le plus général où le système peut être réglé en continu d’un liquide à un canal Tomonaga – Luttinger à un liquide de Fermi à plusieurs canaux dans un système non chiral. Nous utilisons des techniques de mesure résolues en temps pour déterminer le temps de vol d'un pulse électronique à un seul électron et extraire la vitesse d'excitation de la charge collective.L'analyse de la vitesse de propagation permet de révéler les effets collectifs qui régissent la physique dans notre système quasi unidimensionnel. Notre modélisation détaillée de l'électrostatique de l'échantillon nous permet de construire et de comprendre les excitations du système dans une théorie sans paramètres. Nous montrons que nos calculs auto-cohérent explique bien les mesures et valident la construction des modes collectifs bosoniques à partir des degrés de liberté fermioniques.Le contrôle temporel présenté des impulsions à un seul électron au niveau de la picoseconde sera également important pour la mise en œuvre d'architectures de guide d'ondes pour les qubits volants utilisant un seul électron. L’intégration d’une source de leviton dans un interféromètre à guide d’ondes permettrait de réaliser des architectures de qubits volants à un électron similaires à celles utilisées en optique quantique linéaire. De plus, nos études ouvrent la voie à l’étude de la dynamique en temps réel d’un dispositif nanoélectronique quantique, telle que la mesure de l’étalement temporel ou de la dynamique de fractionnement de la charge du paquet d’ondes électroniques pendant la propagation.
La dynamique d'un système quantique est très sensible à la dimensionnalité. Alors que les systèmes électroniques à deux dimensions forment les liquides de Fermi, les systèmes à une dimension - les liquides de Tomonaga – Luttinger - sont décrits par des excitations purement bosoniques, même s’ils sont initialement constitués de fermions. Avec l'avènement de sources cohérentes à un seul électron, la dynamique quantique d'un tel liquide est maintenant accessible au niveau d'un seul électron.Dans ce travail de thèse, nous étudions le cas le plus général où le système peut être réglé en continu d’un liquide à un canal Tomonaga – Luttinger à un liquide de Fermi à plusieurs canaux dans un système non chiral. Nous utilisons des techniques de mesure résolues en temps pour déterminer le temps de vol d'un pulse électronique à un seul électron et extraire la vitesse d'excitation de la charge collective.L'analyse de la vitesse de propagation permet de révéler les effets collectifs qui régissent la physique dans notre système quasi unidimensionnel. Notre modélisation détaillée de l'électrostatique de l'échantillon nous permet de construire et de comprendre les excitations du système dans une théorie sans paramètres. Nous montrons que nos calculs auto-cohérent explique bien les mesures et valident la construction des modes collectifs bosoniques à partir des degrés de liberté fermioniques.Le contrôle temporel présenté des impulsions à un seul électron au niveau de la picoseconde sera également important pour la mise en œuvre d'architectures de guide d'ondes pour les qubits volants utilisant un seul électron. L’intégration d’une source de leviton dans un interféromètre à guide d’ondes permettrait de réaliser des architectures de qubits volants à un électron similaires à celles utilisées en optique quantique linéaire. De plus, nos études ouvrent la voie à l’étude de la dynamique en temps réel d’un dispositif nanoélectronique quantique, telle que la mesure de l’étalement temporel ou de la dynamique de fractionnement de la charge du paquet d’ondes électroniques pendant la propagation.
Mesures résolues en temps des effets collectifs dans les conducteurs quantiques La dynamique d'un système quantique est très sensible à la dimensionnalité. Alors que les systèmes électroniques à deux dimensions forment les liquides de Fermi, les systèmes à une dimension - les liquides de Tomonaga – Luttinger - sont décrits par des excitations purement bosoniques, même s’ils sont initialement constitués de fermions. Avec l'avènement de sources cohérentes à un seul électron, la dynamique quantique d'un tel liquide est maintenant accessible au niveau d'un seul électron.Dans ce travail de thèse, nous étudions le cas le plus général où le système peut être réglé en continu d’un liquide à un canal Tomonaga – Luttinger à un liquide de Fermi à plusieurs canaux dans un système non chiral. Nous utilisons des techniques de mesure résolues en temps pour déterminer le temps de vol d'un pulse électronique à un seul électron et extraire la vitesse d'excitation de la charge collective.L'analyse de la vitesse de propagation permet de révéler les effets collectifs qui régissent la physique dans notre système quasi unidimensionnel. Notre modélisation détaillée de l'électrostatique de l'échantillon nous permet de construire et de comprendre les excitations du système dans une théorie sans paramètres. Nous montrons que nos calculs auto-cohérent explique bien les mesures et valident la construction des modes collectifs bosoniques à partir des degrés de liberté fermioniques.Le contrôle temporel présenté des impulsions à un seul électron au niveau de la picoseconde sera également important pour la mise en œuvre d'architectures de guide d'ondes pour les qubits volants utilisant un seul électron. L’intégration d’une source de leviton dans un interféromètre à guide d’ondes permettrait de réaliser des architectures de qubits volants à un électron similaires à celles utilisées en optique quantique linéaire. De plus, nos études ouvrent la voie à l’étude de la dynamique en temps réel d’un dispositif nanoélectronique quantique, telle que la mesure de l’étalement temporel ou de la dynamique de fractionnement de la charge du paquet d’ondes électroniques pendant la propagation.
Cette thèse est dédiée à l'analyse de signaux électriques quantiques dans les canaux de bords de l'effet Hall quantique. En particulier, j'ai utilisé l'analogue électronique de l'interféromètre de Hong, Ou et Mandel pour réaliser des expériences d'interférométrie à deux particules. En entrée de l'interféromètre sont placées des sources d'électrons uniques qui permettent l'injection contrôlée d'excitation ne contenant qu'une seule particule. Les canaux de bords guident ces excitations jusqu'à l'interféromètre. Il s'agit d'un contact ponctuel quantique qui agit comme une lame semi-réfléchissante pour les électrons. On mesure en sortie les fluctuations basse fréquence du courant. Cela nous permet de mesurer le recouvrement entre les fonctions d'onde à un électron émises à chaque entrée. Grâce à cette mesure de recouvrement, j'ai pu caractériser à des échelles de temps sub-nanoseconde, le rôle des interactions Coulombienne sur la propagation de l'électron unique. J'ai pu montrer que ces interactions étaient la source principale de la décohérence du paquet d'onde mono-électronique et qu'elles décomposent l'électron sur des modes collectifs. C'est une manifestation de la fractionalisation de l'électron qui apparaît dans les systèmes uni-dimensionnel en interactions. Grâce à cet interféromètre, j'ai pu aussi implémenter un protocole de tomographie qui permet de reconstruire toute les informations à une particule de n'importe quel signal émis dans le canal de bord.
L'expériences d'optique quantique avec un unique électron volant dans la matière condensée Ce travail de thèse porte sur l’étude fondamentale de systèmes nano-électroniques,mesurés à très basse température. Nous avons réalisé des interféromètres électroniques àdeux chemins à partir d’électrons balistiques obtenus dans un gaz 2D d’électrons d’unehétéro-structure GaAs/AlGaAs. Nous montrons que la phase des électrons, et ainsileur état quantique,peut être contrôlée par des grilles électrostatiques. Ces dispositifsse révèlent être des candidats prometteurs pour la réalisation d’un qubit volant. Nousavons développé une simulation numérique évoluée d’un modèle de liaisons fortes à partirde transport quantique ballistique qui décrit toutes les découvertes expérimentales etnous apporte une connaissance approfondie sur les signatures expérimentales de cesdispositifs particuliers. Nous proposons des mesures complémentaires de ce système dequbit volants. Pour atteindre le but ultime, à savoir un qubit volant à un électron unique,nous avons assemblé la source à électron unique précédemment développée dans notreéquipe à un beam splitter électronique. Les électrons sont alors injectés depuis une boîtequantique à un train de boîte quantiques en mouvement. Ce potentiel électrostatique enmouvement est généré par des ondes acoustiques de surface créées par des transducteursinter-digités sur le substrat GaAs piézo-électrique. Nous avons étudié et optimisé chacunde ces composants fondamentaux nécessaires à la réalisation d’un beam splitter à électronunique et développé un procédé local et fiable de fabrication. Ce dispositif nous permet d’étudier les interactions électroniques pour des électrons isolés et pourra servir de basede mesure pour des expériences d’optique quantiques sur un système électronique del’état condensé. Enfin, nous avons développé un outil puissant de simulation du potentielélectrostatique à partir de la géométrie des grilles. Ceci permet d’optimiser la conceptiondes échantillons avant même leur réalisation. Nous proposons ainsi un prototype optimiséde beam splitter à électron unique.
Une nouvelle approche du transport dans un fil quantique est proposée, fondée sur une adaptation de l'approche de diffusion à un fil avec interactions (liquide de Tomonaga-Luttinger). Une équation cinétique est développée, permettant de tenir compte des réservoirs, mais aussi d'obtenir des résultats d'une façon directe. Il est ainsi montré que la conductance DC du fil propre est indépendante des interactions à portée et profil arbitraires, et reste égale à e2/h. Les réservoirs sont simulés par le flux qu'ils injectent, lequel est introduit comme condition aux bords de l'équation cinétique. Afin d'identifier les flux d'électrons incident et transmis, des fils intermédiaires sans interactions sont introduits, et le système global est traité comme un liquide de Tomonaga-Luttinger inhomogène. La transmission du flux est parfaite dans la limite stationnaire : un électron incident est transmis en une série de charges partielles spatialement séparées dont la somme vaut l'unité. Il est par ailleurs remarquable que les parties charge et spin transmises restent séparées dans le fil externe sans interactions. La conductance est déduite de la transmission parfaite suivant un argument analogue à celui de l'approche de diffusion. Elle peut aussi être reliée exactement à la transmission en modélisant les réservoirs par un potentiel électrostatique externe fixé. Elle est donc égale à e2/h pour une portée finie arbitraire des interactions. Ce résultat de conductance a été confirmé par des observations expérimentales récentes sur les fils quantiques (Tarucha et al. et Yacoby et al.) dont la conductance présente un plateau à e2/h dans la limite balistique (haute température). Ceci contredit le consensus général jusque-là admis, prédisant en particulier une réduction de la conductance par des interactions répulsives qui devient encore plus importante pour des interactions à longue portée. Le transport dynamique est développé en présence des contacts. La conservation globale de la charge est assurée en tenant compte d'une grille avoisinante. Les coefficients de conductance dynamiques sont exprimés en fonction de la transmission et de la réflexion des plasmons, qui dépendent eux-mêmes des interactions. Il est possible d'étendre cette approche à des fils de mesure avec interactions, quoique des hypothèses supplémentaires sont nécessaires. Par ailleurs, dans le cas usuel d'interactions invariantes par translation, ce travail en donne une revue relativement complète, en suivant des méthodes différentes et en dérivant parfois des résultats distincts de la littérature courante sur le sujet. Nous discutons aussi d'autres procédures de mesure proposées plus récemment afin de retrouver le résultat de conductance DC e2/h. En particulier, nous montrons que la conductance ainsi redéfinie est déterminée par la rigidité de charge. Dans le liquide de Tomonaga-Luttinger connecté à des fils parfaits, le rôle de barrières ou de désordre faibles, ainsi que d'imperfections aux contacts, est étudié par des méthodes perturbatives renormalisées. Il s'avère que la conductance DC g devient contrôlée par les interactions. Bien que nous retrouvons dans certains cas les lois de puissance typiques du liquide de Luttinger, les contacts, brisant l'invariance par translation, interviennent d'une façon non-triviale : la conductance a un comportement non universel, dépendant de l'emplacement des impuretés et de la longueur du fil. Grâce à la taille finie, nous pouvons obtenir explicitement le comportement à basse température, et observer la saturation prédite par des arguments intuitifs dans le fil infini, mais aussi déceler les limitations de tels arguments. Pour un désordre étendu, nous montrons que les fluctuations relatives de e2/h-g sont de l'ordre de L T/L à haute température (L T=v F/T>L), mais saturent à 1/2 à basse température. Ce résultat s'applique avec ou sans spin, seule la dépendance en L T ou L de la variance change. De surcroît, un cadre formel et général est développé pour traiter un faible désordre à température finie, utile pour un fil non invariant par translation, mais aussi pour le liquide de Luttinger usuel. En particulier, les équations de renormalisation sont dérivées pour une ou deux barrières. En plus des propriétés de transport, d'autres phénomènes intéressants émanent de ce modèle d'interactions inhomogènes. En particulier, la réflexion à l'interface entre deux liquides de Luttinger de paramètres distincts est analogue à la réflexion d'Andreev ; le côté normal (supraconducteur) est celui où le paramètre est le plus petit (grand). Ainsi, dans un état de bord connecté à un liquide de Fermi, une quasi-particule de Laughlin est réfléchie en quasi-trou. D'autre part, le renforcement d'une fonction de corrélation d'onde de densité de charge ou de type supraconducteur s'étend au-delà de l'interface jusqu'à la longueur la plus petite (parmi L ou L T ou une autre longueur externe), renormalisée par le paramètre d'interaction. Ceci rappelle l'effet de proximité induit par un supracoducteur dans un métal normal. Enfin, il se produit aussi un autre effet intéressant : les fils externes sans interactions suppriment une tendance au cristal de Wigner au-dessous d'une température de crossover qui dépend de la position et augmente lorsqu'on s'approche des contacts.
Dynamique d'électrons uniques dans les systèmes topologiquement protégés L'optique quantique électronique est un domaine de recherche visant à préparer, contrôler et manipuler de manière cohérente des états à électrons uniques dans des systèmes mésoscopiques, de la même manière que les photons sont manipulés en optique quantique. Des sources d'électrons uniques peuvent être utilisées pour générer des excitations à quelques électrons dans des conducteurs balistiques, où la propagation n'est pas affectée par la rétrodiffusion.Une question particulièrement importante est celle de comprendre les effets des intéractions électroniques sur l'évolution des excitations produites par les sources, ce qui est le sujet principal de cette thèse.Tout d'abord on considère une couple de canaux conducteurs co- ou contro-propageants en présence d'intéractions répulsives. Dans les deux cas, les intéractions produisent la "fractionalisation" des excitations initiellement introduites. Les excitations ``fractionnées'' sont étudiées soit dans le domaine temporel soit dans la représentation énergie, ce qui permet d'obtenir des informations sur leur contenu de couples particule-trou. En considérant des excitations générées par des impulsions de forme lorentzienne, connues comme Lévitons, on démontre que le bruit dû à la présence d'un centre de diffusion est minimisé, indépendemment des intéractions.Ensuite, on adresse des systèmes supraconducteurs où les corrélations électroniques sont tout à fait differentes. On étudie les propriétés de transport d'une jonction tunnel supraconductrice amenée hors de l'équilibre par des impulsions de tension périodiques de forme arbitraire et on démontre que les Lévitons minimisent le bruit à basse fréquence dans ce système aussi.
Impulsions ultra-courte d'électron unique pour les qubits volants La seconde révolution quantique du XXe siècle a contribué à un essor technologique en physique du solide. Les techniques d'ingénierie des matériaux couplées à celles de nanofabrication moderne ont favorisé le perfectionnement de sources d'électrons uniques sur demande. De par leur incroyable précision, elles sont désormais utilisées en métrologie et leur potentiel s'étend au récent domaine de l'optique quantique électronique, notamment à un candidat prometteur pour l’information quantique : le qubit volant électronique. Ces bits quantiques sont créés par de courtes impulsions de tension et la manipulation de leur état quantique se fait à la volée. À ce jour, l’impulsion de tension la plus courte atteint 27 ps, sur puce, dans un environnement cryogénique. Cependant, en raison de l'atténuation et de la dispersion du signal dans les lignes coaxiales, l'accès à des régimes quantiques électroniques d’échelle temporelle plus rapide demeure hors de portée.En revanche, grâce à l'avènement des lasers à impulsions ultracourtes et aux progrès en photonique et plasmonique, la technologie des photocommutateurs peut permettre la génération d'impulsions électromagnétiques de l'ordre de la picoseconde. La large bande passante de ces technologies opto-électroniques THz pourrait venir à bout de la barrière technique à laquelle sont confrontés les équipements électroniques standards. Bien que largement développées dans le cadre d'applications à température ambiante, les démonstrations d'intégration de ces technologies à une architecture quantique en environnement cryogénique restent toujours peu nombreuses. La réalisation d'une telle expérience débloquerait de nouvelles voies de recherche pour l'étude des dynamiques des dispositifs quantiques électroniques en physique du solide.Dans ce manuscrit, nous présentons la mise au point d'une installation expérimentale pouvant générer des impulsions de tension picoseconde en environnement cryogénique pour des applications de qubits volants. Un laser femtoseconde génère des impulsions qui sont injectées dans des fibres optiques intégrées à basse température. Fabriqué à la surface de GaAs basse température (LT-GaAs), un photocommutateur est cointégré au circuit quantique formé à partir d'un gaz d'électrons bidimensionnels (2DEG) à haute mobilité. Du fait de la réponse opto-électronique extrêmement rapide du LT-GaAs, le photocommutateur convertit les impulsions optiques en impulsions de tension d'une durée de quelques picosecondes seulement. Grâce à des guides d'ondes coplanaires (CPW) THz, l'impulsion est acheminée vers le 2DEG, où elle est utilisée comme source d'électrons uniques ultracourts.Pour effectuer la mesure pompe-sonde et résoudre le profil dynamique de telles impulsions, une installation expérimentale originale, impliquant des positionneurs piézo-électriques et des protocoles d'alignement à basses températures, a été mise en place. Comme preuve de concept, nous rapportons d'abord la caractérisation à 300 K d'impulsions électroniques d'une durée de 1.9 ps. Dans un deuxième temps, nous refroidissons le système à 4K, élargissant la preuve de concept aux environnements cryogéniques par la mesure d'impulsions de 2.3 ps. Ensuite, en intégrant une structure 2DEG au circuit THz, des excitations de plasmons THz ont pu être observées dans une cavité Fabry-Pérot. La fréquence de leur mode fondamental a été comparée à un modèle analytique, révélant des informations sur la densité de porteur du gaz électronique sous illumination. Parallèlement, des développements importants ont été menés sur la conception des CPWs dans le but de minimiser les réflexions indésirables du signal ainsi que les pertes par dispersion. Ces travaux ouvriront la voie à l'intégration d'impulsions de tension picoseconde dans les dispositifs quantiques nanoélectroniques et le contrôle de qubits volants électroniques par des grilles électrostatiques THz ultrarapides.