Les interférences quantiques sont une pierre angulaire de la physique quantique, fournissant des informations profondes sur la dualité onde-particule et la cohérence quantique. Dans les systèmes mésoscopiques, les interférences ont principalement été étudiées dans le régime DC, en utilisant des anneaux Aharonov-Bohm et des interféromètres de Mach-Zehnder électroniques (MZI). Dans cette limite adiabatique, où le champ appliqué est constant, la cohérence de phase et les mécanismes de décohérence ont été largement étudiés. Cependant, avec l'avènement de l'optique quantique électronique et le développement de sources d'électrons à la demande, il est désormais possible de générer des impulsions de tension ultra-courtes induisant des excitations plasmoniques qui se propagent dans des conducteurs quantiques. Cela permet d'accéder à de nouveaux régimes dynamiques, où la dynamique interne du système peut être sondée, offrant des possibilités passionnantes pour étudier la cohérence et les interférences quantiques au niveau de l'électron unique. Cette thèse se concentre sur l'étude de la cohérence quantique des excitations plasmoniques ultra-courtes et des interférences quantiques au-delà de la limite adiabatique. Nos travaux ont abouti au développement et à l'optimisation d'un MZI électronique de 14 µm de longueur, basé sur une hétérostructure GaAs/AlGaAs. Ce processus, appuyé par des simulations électrostatiques réalistes et le développement de techniques avancées de nanofabrication, ouvre la voie à la réalisation de dispositifs quantiques plus complexes à l'avenir.
Parallèlement, nous avons développé une source d'électrons à la demande, basée sur la génération d'impulsions de tension ultra-courtes via la synthèse de Fourier en utilisant un peigne de fréquence. Nous démontrons son application en réalisant des mesures résolues en temps des excitations plasmoniques avec des largeurs d'impulsions aussi courtes que 25 ps, mesurées directement in situ au niveau de l'échantillon dans des conditions cryogéniques. La polyvalence de notre source, combinée à sa stabilité et à la génération précise de formes d'onde quelconque, en fait un excellent outil pour les expériences d'optique quantique électronique. La caractérisation approfondie de notre MZI électronique en régime DC a démontré des oscillations cohérentes sur toute la longueur du dispositif, établissant une longueur de cohérence substantielle de 80 µm. Nous avons mis en évidence l'émergence d'une non-linéarité, induite par la dépendance en énergie du séparateur de faisceau électronique (beam splitter) au sein du MZI. Cette non-linéarité explique l'observation d'oscillations cohérentes dans la partie non-linéaire du courant, un comportement reproduit et compris grâce à nos simulations de transport quantique.
Exploitant cette non-linéarité, nous avons étudié la réponse AC du MZI par rectification quantique. En utilisant des excitations sinusoïdales, nous démontrons l'entrée dans le régime dynamique à 1 GHz, sondant directement l'échelle de temps caractéristique du dispositif. Notamment, nous atteignons une cohérence quantique avec des impulsions aussi courtes que 30 ps et offrons des perspectives sur la cohérence en fonction de la largeur des impulsions. Nos résultats montrent que nous atteignons le régime de faible nombre d'électrons, soutenus par des simulations de transport quantique et des calculs basés sur la théorie de Floquet pour le transport dépendant du temps, qui corroborent nos observations expérimentales. Notre travail pose une base solide pour une multitude de nouvelles expériences à l'échelle de l'électron unique, telles que la mise en œuvre de protocoles de téléportation quantique pour des états d'électrons uniques et la génération à la demande d'intrication.

Contact : François Lefloch​