Coulomb interaction and electronic quantum coherence in solid-state interferometers

Interactions de Coulomb et cohérence quantique dans les interféromètres électroniques Le transport électronique dans les circuits de petites dimensions et plongés à basse température sont gouvernés par les lois de la mécanique quantique, pour lesquelles la nature ondulatoire des électrons ne peut être ignorée. Les effets qui en résultent sont bien expliqués lorsque le transport électronique est exprimé en termes de canaux de conductions élémentaires, analogues aux modes optiques dans un guide d’onde. Les canaux de Hall quantiques sont une implémentation directe de ce type de canaux électroniques et constituent par conséquent une plateforme de choix pour l’étude du transport électrique à un niveau fondamental. Notamment, ils peuvent être utilisés pour fabriquer des interféromètres électroniques, et en particulier, l’analogue de l’interféromètre de Mach-Zehnder, qui entre autres réalisations, illustre une route prometteuse vers la réplication d’expériences d’optique quantique avec des électrons. Une différence cruciale avec l’optique gît cependant dans l’interaction coulombienne, omniprésente dans les circuits électronique et qui à la fois limite la cohérence quantique des électrons, et fait émerger des phénomènes corrélés exotiques.Dans cette thèse, des canaux de Hall ont été agencés dans une géométrie de Mach-Zehnder afin d’observer les effets de l’interaction coulombienne sur la cohérence quantique. Les résultats obtenus se scindent en deux volets. Premièrement, il est démontré l’efficacité d’une stratégie basée sur la suppression du couplage entre canaux médié par l’interaction de Coulomb, dans le but d’augmenter la longueur de cohérence quantique. Il en résulte une longueur de cohérence augmentée de plus d’un ordre de grandeur, atteignant la longueur macroscopique de 0.25mm, une longueur visible à l’œil nu, à basse température (10mK). Dans une seconde expérience, un îlot métallique est introduit sur l’un des deux chemins d’un interféromètre électronique de Mach-Zehnder. Un électron est retenu au cœur d’un tel îlot bien plus longtemps que son temps quantique, ce qui empêche normalement toute propagation cohérente d’électrons le traversant. Cependant, lorsqu’un seul canal électronique est connecté à un tel îlot et que la capacitance de celui-ci est suffisamment petite pour geler toute fluctuation de sa charge globale, une transmission parfaite de l’état quantique des électrons à travers l’îlot est prédite. Cette prédiction contre-intuitive fut expérimentalement démontrée au cours de cette thèse. Alors que le premier résultat illustre comment l’interaction coulombienne peut être nuisible à la cohérence quantique des électrons, le second montre au contraire comment cette interaction de Coulomb peut être exploitée pour préserver la cohérence quantique