Quantization of the AC current : the quantum dot as a subnanosecond single electron source

Quantification du courant alternatif : la boîte quantique comme source d' électrons uniques subnanoseconde

Gwendal Fève (1)

1 LPA - Laboratoire Pierre Aigrain

This thesis is devoted to the study of subnanosecond charge dynamics in a model quantum
conductor : the quantum RC circuit. By applying a radiofrequency excitation to a gate located
on top of a submicronic quantum dot, one probes the dynamics of charge transfer from the
dot to its electronic reservoir. In the linear regime, it is described by a quantum capacitance
related to the density of states of the dot and a constant charge relaxation resistance equal
to half the resistance quantum h/2e^2 when a single mode is transmitted between the dot and
the reservoir. This thesis is especially devoted to the study of the non-linear regime obtained
by applying a square excitation of amplitude comparable to the addition energy of the dot
(energy required to add a single charge). I have observed in this regime a quantization of the
ac current in units of 2ef demonstrating the emission and absorption of a single charge at
each period of the excitation signal. The device acts then as a single electron source similar
to single photon sources in optics. The evolution of the tunneling escape time of the charge
as a function of experimental parameters (dot-reservoir coupling, dot potential...) has been
measured in a broad time range, from a hundred of picoseconds to ten nanoseconds. These
results are in excellent agreement with a simple theoretical description that I have developed
during my thesis. This opens the way to single particle electron optics experiments.

Cette thèse est consacrée à l'étude du transport dynamique subnanoseconde de charges
dans un conducteur quantique modèle : le circuit RC quantique. En appliquant des tensions
hyperfréquence sur une grille située au dessus d'une boîte quantique de taille submicronique,
on peut sonder la dynamique de transfert de charges de la boîte vers son réservoir. Dans
le régime linéaire, elle est caractérisée par une capacité quantique reliée à la densité d'états
de la boîte et une résistance de relaxation de charge constante et égale au demi quantum
de résistance h/2e^2 lorsqu'un seul mode de conduction est transmis du réservoir à la boîte. Je
me suis plus largement consacré à l'étude du régime non linéaire obtenu en appliquant des
tensions créneau d'amplitude comparable à l'énergie d'addition de la boîte (énergie nécessaire
pour ajouter une charge élémentaire). J'ai mis en évidence dans ce régime une quantification
du courant alternatif en unité de 2ef qui traduit l'émission et l'absorption par la boîte d'une
charge unique à chaque période du signal d'excitation. Ce dispositif fonctionne alors comme
une source d'électrons uniques analogue aux sources de photons uniques en optique. L'évolution
du temps d'émission de la charge par effet tunnel en fonction des différents paramètres
contrôlables (couplage de la boîte au réservoir, potentiel de la boîte ...) a été déterminée dans
une large gamme temporelle, de la centaine de picosecondes à la dizaine de nanosecondes. Ces
résultats sont en excellent accord avec un modèle théorique simple que j'ai développé durant
ma thèse. Ils ouvrent la voie à des expériences d'optique électronique à une seule particule.

Mots clés: mesoscopic physics; two dimensional electron gas; subnanosecond coherent electronic<br />dynamics; quantum RC circuit; quantization of the AC current; single electron source

Mots clés: physique mésoscopique; gaz bidimensionnel d'électrons; dynamique électronique<br />cohérente subnanoseconde; circuit RC quantique; quantification du courant alternatif; source<br />d'électrons uniques

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]

Gwendal Fève. Quantification du courant alternatif : la boîte quantique comme source d' électrons uniques subnanoseconde. Matière Condensée [cond-mat]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00119589⟩