Laboratoire Pierre Aigrain - UMR 8551

Séminaire, 13 mai 2013

seminaire — 2013-05-07T08:22:40Z

Un certain nombre de nanostructures fabriquées à l'heure actuelle possèdent une symétrie relativement élevée, ce qui leur ouvre quelques applications potentielles spécifiques comme la génération de paires de photons intriqués [1]. De bons exemples sont les boîtes pyramidales en GaAs blende de zinc, obtenues par croissance selon l'axe cristallographique [111], et qui possèdent naturellement trois plans de symétries à 120 degrés (symétrie C3v). Un autre cas intéressant sera posé par les boîtes insérées dans les nanofils de structure wurzite ou zincblende (éventuellement entremêlées).

Nous avons récemment montré [2] qu'en faisant un usage judicieux de quelques faits élémentaires concernant les premiers états électroniques d'une boîte quantique, ainsi que de quelques arguments basés sur la symétrie et la théorie des groupes, on pouvait comprendre de façon complètement cohérente la structure des spectres de la lumière émise par les complexes excitoniques dans de telles boîtes C3v. Plus spécifiquement nous avons pu démêler la structure de plus de 30 lignes spectrales présentes simultanément, sans aucun recours à un ordinateur. Cette étude a aussi prouvé qu'autant les symétries exactes que les symétries approximées pouvaient jouer un rôle important.

Dans ce contexte nous présenterons un panorama des outils que nous avons développés, basés sur les symétries, pour le calcul et l'analyse de telles structures. Nous montrerons qu'ils aident à trouver des interprétations claires à toute une série d'effets (qu'il s'agisse de résultats numériques ou expérimentaux), et qu'ils permettent d'accélérer notablement les calculs numériques. Finalement nous mettrons en évidence quelques prédictions nouvelles obtenues avec cette approche, ainsi que l'interprétation de plusieurs résultats déroutants à première vue.

[1] R. Singh, G. Bester, Phys. Rev. Lett. 103, 063601 (2009) [2] M.A.Dupertuis et al., Phys. Rev. Lett. 107, 127403 (2011)

Séminaire, 22 avril 2013

seminaire — 2013-04-16T08:21:40Z

Unlike for classical electronic component, the transport properties of a quantum component are not intrinsic and depend on its embedding circuit. This originates from the probabilistic character of quantum transmission of individual electrons through the device, which results in a broad-band current noise called shot noise. When the impedance of the embedding circuit becomes comparable to the resistance quantum h/e^2, shot noise effectively excites its electromagnetic modes, and electronic transfer becomes inelastic. This modifies electrical transport, a phenomenon called Dynamical Coulomb Blockade (DCB). Experimental investigations of this environment feedback have so far been limited to dc conductance measurements, and a complete description of quantum transport, including the current and its fluctuations in the presence of DCB is still lacking. In this work, we have embedded a tunnel junction in a microwave quarter-wave resonator which implements a "single-mode" electromagnetic environment. With such a circuit, we can both measure the I(V) characteristic of the junction and the shot noise emitted by the junction at microwave frequencies ( 6GHz). Obtaining strong DCB effects requires the resonator to display a characteristic impedance comparable to the resistance quantum (h/e^2 26kOhm), which is hardly achievable by exploiting plain geometric considerations. We have taken advantage of the kinetic inductance of an array of Josephson junctions, to increase up to 1.5 kOhm the characteristic impedance of an otherwise standard coplanar waveguide. The resulting coupling is strong enough to observe DCB corrections to the shot noise emitted by the tunnel junction, interpreted as spontaneous two-photon emission processes. We can reproduce the observed corrections to the shot noise with the help of an extension to the DCB theory. The methods developed here is applicable to widely used quantum components such as point contacts and quantum dots. Keywords : Coulomb blockade, high frequency noise, Josephson arrays

Related work :

Experimental Test of the High-Frequency Quantum Shot Noise Theory in a Quantum Point Contact, E. Zakka-Bajjani et al., Phys. Rev. Lett. 99, 236803 (2007) Bright Side of the Coulomb Blockade, M. Hofheinz et al., Phys. Rev. Lett. 106, 217005 (2011)

Séminaire, 15 avril 2013

seminaire — 2013-04-10T07:46:09Z

An ideal source of entangled photon pairs combines the perfect symmetry of an atom with the convenient electrical trigger of light sources based on semiconductor quantum dots. We create a naturally symmetric quantum dot cascade that emits highly polarization entangled photon pairs on demand. The emitted photons strongly violate Bell's inequality. Our source consists of strain-free GaAs dots grown by Droplet Epitaxy on a triangular symmetric (111)A surface [1]. The remaining decoherence channel of the photon source is ascribed to random charge and nuclear spin fluctuations in and near the dot. We discuss the practical consequences of the nonlinear (quantum) dynamics of the coupled electron-nuclear spin system revealed in quantum dot optics [2] in these nano-objects with trigonal (C3v) symmetry [3].

The second part of the talk will be devoted to another degree of freedom : the valley index of electrons in atomically thin two-dimensional crystals. Monolayer MoS2 has emerged as a very promising material for optoelectronic and spin applications for mainly two reasons : First, the indirect bulk semiconductor MoS2 becomes direct when thinned to one monolayer, resulting in efficient optical absorption and emission. Second, the inherent inversion symmetry breaking (usually absent in graphene) together with the strong spin-orbit interaction leads to a coupling of carrier spin and k-space valley physics [4]. The resulting chiral optical selectivity allows exciting one of these non-equivalent K valleys. Both the magnetic field and the temperature dependence of this optical initialization of the valley index will be discussed [5] in the context of preparing valley-Hall coupled to spin-Hall measurements.

[1] T. Kuroda et al, arxiv 1302.6389 [2] B. Urbaszek, X. Marie, T. Amand, O. Krebs, P. Voisin, P. Maletinksy, A. Högele, A. Iamoglu, Rev. Mod. Phys. 85, 79 (2013) [3] G. Sallen, et al, Phys. Rev. Lett. 107, 166604 (2011) ; M. Durnev et al, Phys.Rev.B 87, 085315 (2013). [4] D. Xiao et al, Phys. Rev. Lett. 108, 196802 (2012) ; S. Wu et al, Nature Physics DOI : 10.1038/NPHYS2524 (2013) [5] G. Sallen et al, Phys. Rev. B 86, 081301(R) (2012)

Séminaire, 8 avril 2013

seminaire — 2013-04-03T14:57:40Z

Creating direct electrical connections between metal electrodes and low-dimensional semiconductor nanostructures has recently become possible thanks to the development of new nanomaterials and nanofabrication methods. Hybrid devices can thus be made in which macroscopic properties, such as superconductivity or ferromagnetism, are combined with microscopic properties, such as the charge or the spin state of individual electrons. Such hybrid devices open a wide range of opportunities for the study of new quantum phenomena and, in the long term, they may lead to the development of useful electronic devices with quantum functionalities. In this talk, I will present recent experimental results obtained with hybrid devices consisting of zero-dimensional, quantum-dot structures coupled to superconducting electrodes. Special attention will be devoted to the magnetic properties of the sub-gap states in these hybrid systems and to the intriguing competition between Coulomb interactions, Kondo correlations, and the superconducting proximity effect. References : [1] E. J. H. Lee, X. Jiang, R. Aguado, G. Katsaros, C. M. Lieber, and S. De Franceschi, “Zero-bias anomaly in a nanowire quantum dot coupled to superconductors”, Phys. Rev. Lett. 109, 186802 (2012). [2] E. J. H. Lee, X. Jiang, M. Houzet, R. Aguado, C. M. Lieber, and S. De Franceschi, “Spin-resolved Andreev levels in hybrid superconductor-semiconductor nanostructures”, arXiv:1302.2611.

Séminaire, 25 mars 2013

seminaire — 2013-03-20T09:25:28Z

Heterodyne detection is a well known coherent detection technique, widely exploited from telecommunications to basic research. Its application in the Terahertz (THz) range remains however rather challenging owing to the scarcity of local oscillator sources, especially above 2THz [1]. As shown in 2007, rectified mode-locked fs-lasers can become a powerful tool to generate broadband THz frequency rulers for the measurement of sources with an emission frequency up to several THz [2,3]. These rulers exploit the harmonics of a mode-locked laser repetition rate as local oscillators for heterodyne mixing. In this work it will be shown how the 104 harmonic of the repetition rate of a mode-locked fs-fiber laser can be mixed with the radiation emitted by THz Quantum Cascade Lasers (QCLs) and used for their heterodyne detection [4]. This opens the door to several applications that will be reviewed in the talk, starting from the frequency and phase stabilisation of THz QCLs, the measurement of their intrinsic line-widt and frequency, to coherent imaging [4-6]. In the final part of the presentation it will be shown how fs-laser combs can also be applied to multi-mode THz QCLs, in particular for the demonstration of active mode-locking [7].

[1] A. Maestrini et al. IEEE Trans. THz Sci. Technol., 2, 177 (2012) [2] T. Löffler, Appl. Phys. Lett. 90, 091111 (2007) [3] S. Yokoyama et al. Opt. Expr., 17, 13052 (2008) [4] M. Ravaro et al. J. Sel. Top. Quantum Electron., 19, 8501011 (2013) [5] M. Ravaro et al. Opt. Expr., 102, 091107 (2012) [6] M. Ravaro et al. Appl. Phys. Lett., 94, 171110 (2013) [7] S. Barbieri. et al. Nature Photon. 5, 306-313 (2011)

Effets de champs locaux dans le transfert d'énergie entre des molécules de porphyrine et un nanotube de carbone.

Christophe — 2013-03-15T16:04:48Z

Nous avons mené des expériences de spectroscopie de luminescence à l'échelle d'un nano-complexe individuel (micro-photoluminescence ) composé d'un nanotube de carbone unique fonctionalisé sur ses parois par une monocouche de molécule de porphyrines. Grâce au contrôle de l'état de polarisation de la lumière aussi bien en excitation qu'en émission, nous avons pu montrer que le transfert d'énergie présente une forte anisotropie, malgré le caractère symétrique de la molécule de porphyrine. Ceci provient des effets de champs locaux qui modifient profondément l'absorption des molécules de porphyrine à proximité du nanotube. Ces effets de champs locaux sont induits par la forte polarisabilité du nanotube et son caractère unidimensionel.

Des simulations numériques de la carte du champ électromagnétique à proximité du nanotube permettent de reproduire le phénomène et d'en déduire la permitivité électrique du nanotube aux fréquences optiques.

Ref : C. Roquelet et al., ACS Nano 6, 8796 (2012)


(a) Diagramme de polarisation du transfert d'énergie dans un complexe individuel nanotube/porphyrine. (b) Simulations du champ électromagnétique local à l'échelle du nanotube.

Dynamique du transfert d'énergie dans des assemblages supramoléculaires porphyrines/nanotubes de carbone

Christophe — 2013-03-15T14:45:35Z

Grâce à des expériences pompe-sonde femtoseconde à large bande spectrale, nous avons pu étudier la chronologie des étapes du transfert d'énergie entre l'absorption d'un photon bleu par les molécules de porphyrines et la ré-émission de lumière infra-rouge par les nanotubes. Nous avons montré que ce transfert s'effectue sur une échelle sub-picoseconde ( s ), bien plus rapide que les mécanismes de relaxation compétitifs (relaxation radiative ou non radiative dans la molécule) ce qui explique l'excellent rendement de transfert observé dans ce système (99,99%).

De plus grâce à des études sur une large gamme spectrale, nous avons pu reconstituer le chemin supra-moléculaire de ce transfert d'énergie, c'est-à-dire établir déterminer les états quantiques impliqués dans le processus.


(a) Dynamique du transfert d'énergie entre des molécules de porphyrine et des nanotubes de carbone. (b) Schéma moléculaire du transfert d'énergie.

Ref : D. Garrot et al., J. Phys. Chem. C 115, 23283 (2011)

Séminaire, 18 mars 2013

seminaire — 2013-03-11T10:37:27Z

Les polaritons, états mixtes lumière-matière, issus du couplage fort entre excitons et photons dans une microcavité semiconductrice, sont des bosons composites bi-dimensionnels en interaction qui peuvent manifester des effets de cohérence macroscopique à des températures élevées (5-300K), grâce à leur masse très faible. En particulier, les polaritons se comportent comme un fluide quantique aux propriétés spécifiques liées à leur nature hors-équilibre, déterminée par leur durée de vie très réduite (quelques picosecondes). Après un bref rappel de la superfluidité et du régime Cerenkov [1, 2] dans un fluide de polaritons, je discuterai la transition du régime superfluide à l'émission turbulente de vortex et à la nucléation de solitons sombres grâce à l'interaction du fluide polaritonique avec un défaut [3,4]. Je présenterai ensuite l'observation de demi-solitons dans un fluide spinoriel des polaritons et leur analogie avec des monopoles magnétiques [5]. Enfin je montrerai comment, grâce à des pièges optiques à polaritons, il est possible de générer dans ces systèmes des réseaux de vortex-antivortex quantifiés, dont la structure géométrique est fortement façonnée par les interactions polariton-polariton [6]. L'ensemble de ces résultats montre que les polaritons constituent un système idéal pour l'étude des propriétés des fluides quantiques.

[1] A. Amo, D. Sanvitto, F. P. Laussy, D. Ballarini, et al., Nature 457, 291 (2009). [2] A. Amo, J. Lefrère, S. Pigeon, C. Adrados, et al., Nature Phys. 5, 805 (2009). [3] A. Amo, S. Pigeon, D. Sanvitto, V.G. Sala, R. Hivet, et al., Science, 332, 1167 (2011). [4] D. Sanvitto, S. Pigeon, A. Amo, D. Ballarini, et al, Nature Photonics, 5, 610 (2011) [5] R. Hivet, H. Flayac, D.D. Solnyshkov, D. Tanese et al. Nature Phys. 8, 724 (2012) [6] R. Hivet, E. Cancellieri, D. Ballarini, D. Sanvitto et al. (submitted)

Seminaire, 18 février 2013

seminaire — 2013-02-13T09:36:41Z

The construction of a delocalised architecture for quantum information processing and communication is an appealing route whose viability relies, crucially, on the ability to establish quantum channels for communication and distributing entanglement (or general quantum correlations) to remote, non-interacting processors. This is precisely the aim of this seminar, whose goal is to show that entanglement between distant local processors can in fact be distributed efficiently in scenarios that are currently addressed by many experimental endeavours and with the only requirement of having pre-available continuous-variable entanglement. The talk will also address the possibility to "distribute entanglement without entanglement", thus highlighting the role that quantum discord plays in this problem.

Des électrons indiscernables à la demande

Christophe — 2013-01-29T08:48:00Z

Le 28 jan. 2013,

La dualité onde-corpuscule se manifeste de manière spectaculaire dans le transport électronique dans les conducteurs de petite dimension à très basse température. Les effets d'interférences, caractéristiques d'une description ondulatoire, gouvernent le courant qui traverse un conducteur. Les fluctuations de ce courant sont en revanche associées à la granularité de la charge électrique, liée au caractère corpusculaire des électrons. L'expérience réalisée au Laboratoire Pierre Aigrain, en collaboration avec des chercheurs du Laboratoire de Photonique et de Nanostructures et de l'Ecole Normale Supérieure de Lyon, échappe à la fois à la description ondulatoire et à la description corpusculaire. L'ingrédient essentiel de cette expérience est une lame séparatrice électronique, comprenant deux voies d'entrée et deux voies de sortie. Lorsqu'un unique électron est envoyé sur l'un des bras d'entrée, l'autre restant vide, il émerge aléatoirement dans l'un ou l'autre des bras de sortie. Dans l'expérience réalisée, deux électrons, générés par deux sources identiques, indépendantes et synchronisées arrivent simultanément sur les deux bras d'entrée de la séparatrice. Des corpuscules classiques auraient une chance sur deux d'emprunter deux voies de sorties distinctes. Les deux électrons, au contraire, ont tendance à s'éviter et à émerger plus souvent dans deux bras distincts. Cet effet, appelé anti-groupement des électrons, ne peut être expliqué que par la mécanique quantique. Il s'agit d'un effet d'interférences quantiques à deux particules, relié à leur indiscernabilité. Pour les fermions, et donc en particulier les électrons, il conduit à l'anti-groupement total de deux particules parfaitement indiscernables. Pour les bosons au contraire, il conduit au groupement des particules qui émergeraient toujours sur une même voie de sortie de la séparatrice comme cela a été démontré pour les photons en 1987 par Hong, Ou et Mandel. Au-delà de son intérêt fondamental, cette expérience démontre la possibilité de générer à la demande, dans la matière, deux électrons indiscernables au moyen de deux émetteurs indépendants. Elle permet d'envisager de coder et de traiter de l'information quantique sur les degrés de liberté des électrons itinérants comme on le fait pour les photons dans les fibres optiques.

Figure 1 : Le gaz d'électron bidimensionnel est représenté en vert. Les sources d'électrons uniques, situées aux extrémités gauche et droite de la figure, sont constituée d'un ilot du gaz d'électron de taille submicronique appelé boite quantique. Les électrodes métalliques de couleur or déposées au dessus de chaque émetteur permettent de déclencher l'émission d'un électron depuis la boite quantique. Les électrons émis par chaque source, représentés par un paquet d'onde se propagent alors le long du bord de l'échantillon vers une lame séparatrice électronique constituée des deux électrodes or au centre de la figure. Lorsqu'un électron parvient sur la lame (l'autre entrée restant vide), il ressort aléatoirement dans l'une des deux sorties. La figure représente le cas de parfaite synchronisation entre les sources, les électrons émis par chaque émetteur parviennent simultanément sur la lame séparatrice. L'effet d'interférences à deux particules se manifeste alors par la sortie systématique des deux électrons dans deux bras de sortie distincts de la lame séparatrice. Crédits : D. Darson, Laboratoire Pierre Aigrain, Ecole Normale Supérieure, Paris.

Référence : “Coherence and Indistinguishability of Single Electrons Emitted by Independent Sources”, E. Bocquillon, V. Freulon, J.-M Berroir, P. Degiovanni, B. Plaçais, A. Cavanna, Y. Jin, G. Fève, Science, DOI : 10.1126/science.1232572 (2013)

Contact :
Gwendal Fève
Jean-Marc Berroir
Bernard Plaçais