Interaction dans le régime d'effet Hall quantique – IQHAR

Trois tâches était ciblée dans le projet ANR. Durant la période du projet, nous n'avons réussi que les deux premières taches -
Tâche 1 : contrôle du couplage des états de bord à leur environnement pour modifier les longueurs de cohérence quantique.
Tâche 2 : Injection de quasi particules au dessus de la mer de Fermi dans le régime d'effet Hall quantique entier au moyen d'une boite quantique, puis mesure de la cohérence quantique au moyen d'un interféromètre électronique de Mach-Zenhder.

Tâche 1 : contrôle de la cohérence quantique et mise en évidence du rôle du couplage entre états de bords dans la vitesse de propagation des modes électroniques

Tâche 2 : première mesure de la cohérence quantique à énergie finie et mise en évidence d'une robustesse de la cohérence inattendue.

Sonder la relaxation et les effets probable de pairing récemment observé (Nature communication 2015)

P-A Huynh et al., Phys. Rev. Lett. 108, 256802 (2012)
Tewari et al., Phys. Rev. B 93, 035420 (2016)

De nos jours il est possible de réaliser avec des conducteurs quantiques des expériences inspirées par l'optique
quantique. Les faisceaux d'électrons qui miment les faisceaux de photons sont obtenus dans le régime d'effet Hall quantique entier (IQHE), atteint lorsqu'un gaz bidimensionnel d'électrons est soumis à un fort champ magnétique perpendiculaire à basse température. Dans ce régime, le transport de charge se fait par des canaux unidimensionnels localisés sur les bords de l'échantillon (les états de bords), dans lesquels la charge dérive dans une direction imposée par le champ magnétique et le potentiel de confinement du bord. Le nombre de ces états de bord est égal au nombre d'électrons par quantum de flux (appelé facteur de remplissage). La chiralité du transport fait que le temps de collision entre quasi particules est extrêmement long, qualifiant de fait les états de bords pour des expériences d'interférence quantique, comme dans l'interféromètre électronique de Mach-Zehnder développé par les candidats ces dernières années. Néanmoins, il existe une différence cruciale entre les photons et les électrons: ces derniers portent une charge et peuvent ainsi facilement interagir avec leur environnement. Or, pour observer des interférences quantiques, il est nécessaire que la longueur de cohérence quantique, qui est la longueur typique sur laquelle les électrons échangent de l'information avec l'environnement, soit plus grande que la taille de l'interféromètre. Cette longueur de cohérence, dans le régime d'effet Hall quantique à 2 électrons par quantum de flux, a été récemment mesurée par les candidats. Elle est de l'ordre de 20 micromètres à 20 mK et varie comme l'inverse de la température de l'échantillon. Il a de plus été montré que les interférences quantiques étaient fortement réduites par l'application d'une tension drain-source continue sur l'interféromètre. Cette relativement courte longueur de cohérence et sa dépendance en énergie imposent des limitations intrinsèques pour les expériences d'information quantique, où l'information est encodée dans la trajectoire des électrons (les Q-Bits volants). La plus grande visibilité (90%) des interférences quantiques a été obtenue dans le régime d'effet Hall quantique à un facteur de remplissage de deux (deux électrons par quantum de flux). Dans ce cas particulier, l'environnement d'un état de bord est l'état de bord voisin se propageant dans la même direction. Les fluctuations thermiques de la charge sur un état de bord rendent aléatoire la phase acquise par les électrons sur l'état de bord voisin et brouillent ainsi les interférences. Cette interaction entre états de bords est aussi responsable de la relaxation en énergie dans ces fils unidimensionnels. Ici, nous proposons une méthode originale pour augmenter la longueur de cohérence à température finie en modifiant l'environnement. Nous gèlerons les fluctuations thermiques de la charge sur un état de bord en le localisant sur des courtes trajectoires fermées, ouvrant ainsi des « gap » dans sa densité d'états. La longueur de cohérence à énergie finie ainsi que l'impact de l'environnement modifié seront mesurés en insérant un filtre en énergie (un interféromètre de type Fabry-Perot) entre la source d'électrons et l'interféromètre de Mach-Zehnder. Finalement, nous nous appuierons sur notre expertise de l'interféromètre électronique de Mach-Zehnder pour étendre notre étude de la longueur de cohérence à d'autres facteur de remplissage, incluant les facteurs de remplissage fractionnaires.