Gwendal Fève (Laboratoire Pierre Aigrain, ENS Paris) - Realization of a time-controlled single electron source
We have realized the electron analog of the single photon source in a
two dimensional electron gas [1]. Time controlled
coherent emission of single electrons is achieved on sub-nanosecond
time scales providing an important missing brick for
manipulating quantum information in ballistic quantum conductors [2].
As a by-product, periodic operation of the single electron
source, gives a quantized ac-current in the few 100Mhz range suitable
for metrology. The single electron injection is obtained
using a quantum dot connected to the conductor via a tunnel barrier of
variable transmission D (quantum point contact). A
magnetic field B = 1.3T is applied to the sample so as to work in the
quantum Hall regime with no spin degeneracy. Only the last
edge state (nu = 1) is transmitted. To trigger electron emission, a
potential step is suddenly applied to a top gate to compensate
the dot charging energy delta. The electron of the topmost occupied
energy level is then injected from the dot to the lead formed by
the edge state running along the wide 2DEG region. The injection energy
above the lead Fermi energy can be controlled by the
potential step height and the electron emission time tau by the QPC
barrier transparency, tau = h/(D Delta). The single electron emission
time is in the range of 0.1 to 10 nanoseconds suitable for further
experiments aimed at manipulating coherent single electrons.
When the potential returns to its initial value, a single electron is
absorbed ( or equivalently a hole is emitted in the lead Fermi
sea). Periodic repetition, at frequency f, of sequences of single
electron emission followed by single electron absorption leads
to a quantized ac current whose first harmonic is I=2ef. These
experimental results are in excellent agreement with a theoretical
description that will be also presented. As the dot charging energy and
the QPC transmission can be obtained from independent
linear measurements [3,4], no free parameter is used.
[1] G. Fève, A. Mahé, J.-M. Berroir, T. Kontos, B.
Plaçais, D.C. Glattli, A. Cavanna, B. Etienne, Y. Jin, Science,
316 1169
(2007).
[2] A. Bertoni, P. Bordone, R. Brunetti, C. Jacoboni, and S. Reggiani, Phys. Rev. Lett. 84, 5912 (2000). R. Ionocioiu, G.
Amaratunga, and F. Udrea, Int. J. Mod. Phys. 15, 125 (2001). T.M. Stace, C.H.W. Barnes, and G.J. Millburn, Pys. Rev. Lett. 93,
126804 (2004).
[3] J. Gabelli, G. Fève, J.-M. Berroir, B. Plaçais, A.
Cavanna, B. Etienne, Y. Jin, and D.C. Glattli, Science 313, 499 (2006).
[4] M. Buttiker, A. Prêtre, H. Thomas, Phys. Rev. Lett. 70, 4114
(1993). A. Prêtre, H. Thomas, M. Buttiker, Phys. Rev. B 5
Pascal Degiovanni (Laboratoire de Physique de l'ENS Lyon) - Capacitive quantum detection of edge excitations
We consider the problem of detecting ballistic electrons at the edge of a two-dimensional electron
gas in the integer quantum Hall regime. This problem is motivated by recent proposals for developing an electronic
version of quantum optics with single electrons propagating in nanostructures.
A phenomenological model based on a passive linear circuit capacitively coupled to a gate will be
considered as well as a model of coupled edge channels. Decoherence of edge excitations induced
by the detector will then be discussed. Using information theory, we define the appropriate notion of
quantum limit for such an "on the fly" detector. Relation to realistic devices will be addressed.
Minchul Lee (CPT) - Josephson Effect through a Magnetic Molecule.
We investigate the Josephson effect through a molecular quantum dot
magnet connected to superconducting leads. The molecule depicts a
metallofullerene where the spin of the magnetic atom inside the carbon
shell is assumed to be isotropic. It is coupled to the electron spin on
the dot via exchange coupling. Using the numerical normalization group
method we calculate the Andreev levels and the supercurrent and examine
intertwined effect of the exchange coupling, Kondo correlation, and
superconductivity on the current. Exchange coupling typically
suppresses the Kondo correlation so that the system undergoes a phase
transition from 0 to $\pi$ state as |J| increases, where J is the
exchange coupling constant. Antiferromagnetic coupling is found to
drive exotic transitions: the reentrance to the Pi state for a small
superconducting gap and the restoration of 0 state for large J. We
suggest that the asymmetric dependence of supercurrent on J could be
used as to detect the sign of J in experiments.
Roland Hayn (L2MP) - Le diagramme du phase du modèle Hubbard ionique
The ionic Hubbard model to study the relationship between band and Mott-Hubbard insulators and transport properties in small and wide gap insulators is presented. The phase diagram in the limit of high dimensions has been obtained by dynamical mean field theory. It shows an intervening metallic phase between the two insulating ones. Comparing it with the one-dimensional case where the intervening phase is a ferroelectric inslutaor, the presence of an intervening phase seems to be a universal feature of the ionic Hubbard model.
Thomas Leoni (CINAM) - La molécule unique, ses contacts et la jonction brisée.
La diversité des observations du comportement électrique
(conducteur, semiconducteur, isolant) d'un seul brin d'ADN montre
l'importance du contact avec les électrodes de mesure. La
tâche devient encore plus ardue lorsque la taille de la
molécule devient nanométrique. Il faut d'une part
gérer la qualité du contact électrique, d'autre
part maîtriser une distance interélectrodes
nanométrique.
Le contact électrique peut-être
amélioré en fonctionalisant spécifiquement la
molécule pour assurer une chimisorption sur une électrode
métallique. Couplée à des techniques
d'autoassemblage, cette méthode a permis la mesure en
parallèle d'un grand nombre de molécules.
Passer à la mesure sur la molécule unique était un autre défi.
Un grand pas a été franchi au début des
années 2000 notamment avec la publication de résultats
obtenus à ASU par une technique de jonction brisée.
Rapidement, une nanoconstriction métallique
(d'or le plus souvent) est mécaniquement étirée
jusqu'à la rupture. Au moment de la rupture, des
molécules (préalablement fonctionnalisées)
à proximité de la jonction peuvent venir jeter un pont
entre les deux électrodes sub-nanométriquement
séparées. Une nanopince à molécule unique
est ainsi réalisée. La conductance peut être
mesurée. En répétant l'expérience, on
observe toutefois une certaine variabilité qui prend des
proportions importantes lorsqu'il s'agit de comparer des
résultats issus de différents laboratoires avec des
techniques expérimentales voisines. Cette approche n'en demeure
pas moins extrêmement intéressante et mérite
d'être développée. Après avoir
illustré ces résultats, nous insisterons sur le fait que
ce n'est en fait qu'une conductance moyenne qui est mesurée.
Beaucoup de paramètres entrent en jeu. La structure atomique des
contacts en est un des plus importants. Une grande partie de
l'information est accessible par l'étude de la nanojonction
brisée d'or.
Nous avons mené une étude statistique
sur le comportement des jonctions brisées d'or via la mesure du
transport électronique. Nous présenterons les
résultats et les information déduites sur le
mécanismes de rupture de la nanojonction brisée à
partir des données acquises avec un STM. Pour compléter
cette étude le développement de dispositifs
expérimentaux plus stables est nécessaire. Nous l'avons
entrepris. Les performances observées vont vraiment permettre
d'observer les propriétés optoélectroniques d'une
molécule unique dans les conditions ambiantes.