Dynamics of ultrashort plasmonic excitations in nanoelectronic quantum circuits

La soutenance  se déroulera en anglais.

Résumé :

Les technologies quantiques nécessitent des plateformes physiques capables de transporter et de manipuler l’information quantique tout en préservant sa cohérence. Une alternative aux plateformes photoniques consiste à utiliser des électrons se propageant dans des nanostructures semi-conductrices, donnant naissance au domaine de l’optique quantique électronique. Une manière de générer des excitations électroniques individuelles consiste à appliquer des impulsions de tension ultracourtes à une mer de Fermi, générant des paquets d’ondes électroniques ou des excitations plasmoniques. Des travaux récents ont démontré des phénomènes d’interférence avec des paquets d’ondes électroniques individuels de 27 ps dans un interféromètre électronique de Mach–Zehnder. Cependant, l’étendue spatiale de l’excitation restait comparable à la taille du dispositif.

L’objectif de cette thèse est de générer des paquets d’ondes électroniques plus courts que la longueur caractéristique des circuits nanoélectroniques, afin d’atteindre un régime dans lequel de nouveaux phénomènes d’interférence quantique induits par la charge sont attendus. Ces phénomènes hors équilibre, connus sous le nom d’oscillations de charge dynamiques, résultent d’une phase imprimée sur la mer de Fermi par les paquets d’ondes électroniques. Cette phase peut être sondée au moyen d’interféromètres électroniques en mesurant le courant en fonction de la charge injectée.

Deux approches complémentaires sont étudiées pour accéder à ce régime. La première repose sur un interféromètre à base de boîte quantique fonctionnant avec une électronique conventionnelle dans le domaine des GHz, où les premières signatures des oscillations de charge dynamiques sont observées. La seconde consiste à développer une nanoélectronique THz permettant de générer des impulsions de tension aussi courtes que 1 ps. Nous démontrons le contrôle actif de plasmons THz dans un guide d’onde électronique unidimensionnel. Ces travaux ouvrent la voie à l’observation des oscillations de charge dynamiques dans des dispositifs plus génériques, tels que des interféromètres de Fabry–Pérot ou de Mach–Zehnder.

Cette thèse démontre une dynamique ultrarapide dans des circuits nanoélectroniques, permettant d’atteindre de nouvelles frontières pour les circuits quantiques fonctionnant à des vitesses sans précédent.

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Abstract :

Quantum technologies require physical platforms capable of transporting and manipulating quantum information while preserving coherence. An alternative to photonic platforms is to use electrons propagating through semiconductor nanostructures, giving rise to the field of electron quantum optics. One way to generate single-electron excitations is to apply ultrashort voltage pulses to a Fermi sea, generating electronic wavepackets or plasmonic excitations. Recent results demonstrated interferometry with 27-ps-long single-electron wavepackets in an electronic Mach-Zehnder. However, the spatial extent of the excitation was comparable to the size of the device.

The aim of this thesis is to generate electronic wavepackets shorter than the characteristic length of nanoelectronic circuits, reaching a regime where new charge-induced quantum interference is expected to arise. These out-of-equilibrium phenomena, known as dynamical charge oscillations, emerge from a phase imprinted onto the Fermi sea by the electronic wavepackets. This phase can be probed through electronic interferometers by measuring the current as a function of the injected charge.

Two complementary approaches are investigated to access this regime. The first relies on a quantum-dot-based interferometer operating with conventional GHz electronics, where first signatures of dynamical charge oscillations are observed. The second consists of developing THz nanoelectronics to generate voltage pulses as short as 1 ps. We demonstrate active control of THz plasmons in a one-dimensional electronic waveguide. This opens a route towards observing dynamical charge oscillations in more generic devices, such as Fabry–Pérot or Mach–Zehnder interferometers.

This thesis demonstrates ultrafast dynamics in nanoelectronic circuits, reaching new frontiers for quantum circuits operating at unprecedented speeds.

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Contact : christopher.bauerle@neel.cnrs.fr