Quantum interference in dynamically driven mesoscopic conductors
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2021-08-24
Department
Major/Subject
Engineering Physics
Mcode
SCI3056
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
56+5
Series
Abstract
Mesoscopic conductors have become an important platform for experiments on the physics of individual electrons. They have enabled the development of electron quantum optics, where single-electron excitations are manipulated analogously to photons in quantum optics. This has led to the creation of electronic counterparts of various photonic interferometers and the possibility of using electrons as flying qubits. These advances pave the way towards future quantum technologies where single charges are controlled in nanoscale, quantum-coherent circuits to perform quantum computations. In this thesis, we study a system consisting of an electronic Mach-Zehnder interferometer and a metallic contact to which time-dependent voltage is applied. The voltage pulses excite single-electron quasiparticles called levitons, which then travel along edge states through the interferometer. By measuring the electrons ending up in different paths after the interferometer, one can find how quantum interference manifests itself in these systems. Our goal in this thesis is to improve the understanding of such experiments. To achieve this, we perform calculations based on Floquet scattering theory to analyze how quantum interference affects quantities such as the time-dependent current, transferred charge, and charge visibility. We also examine the first order correlation functions of the electrons to gain deeper analytical insights. We find that the transferred charge and current consist of cleanly separated classical and quantum contributions. The quantum parts of these quantities feature oscillations originating from quantum interference effects and can be accessed using measurements at different temperatures. Our analysis reveals that the number of these oscillations is proportional to the number of elementary charges excited by the voltage. We also show how the zeros of the correlation function encode all the relevant information about the interference of the excited particles. The results of this thesis form a theoretical guide for future experiments on interferometry of single- or few-electron excitations.Mesoskooppisista johteista on tullut tärkeä alusta yksittäisten elektronien fysiikan tutkimiseen. Ne ovat mahdollistaneet elektronikvanttioptiikan kehityksen, jossa yksittäisiä elektroneita käsitellään kuten fotoneita kvanttioptiikassa. Tämä on johtanut fotoni-interferometrien elektronisten vastineiden luomiseen ja mahdollisuuteen käyttää elektroneita lentävinä kubitteina. Nämä edistysaskeleet avaavat tietä kohti tulevaisuuden kvanttiteknologioita, joissa yksittäisiä varauksia ohjataan nanoskaalan kvanttikoherenteissa piireissä kvanttilaskennan suorittamiseksi. Tässä työssä tutkimme systeemiä, joka koostuu elektronisesta Mach-Zehnder-interferometristä ja metallisista kontakteista, joihin kohdistetaan ajasta riippuva jännite. Jännitepulssit virittävät levitoneiksi kutsuttuja yhden elektronin kvasihiukkasia, jotka kulkevat reunatiloja pitkin läpi interferometrin. Mittaamalla interferometrin jälkeen eri poluille päätyviä elektroneita, on mahdollista selvittää, kuinka kvantti-interferenssi ilmenee näissä systeemeissä. Tavoitteemme tässä työssä on edistää ymmärrystä tämänkaltaisista kokeista. Tämän saavuttamiseksi suoritamme Floquet-sirontateoriaan perustuvia laskuja tutkiaksemme, kuinka kvantti-inteferenssi vaikuttaa eri suureisiin, kuten ajasta riippuvaan sähkövirtaan, siirtyneeseen varaukseen, ja varauksen näkyvyyteen. Tarkastelemme myös elektronien ensimmäisen asteen korrelaatiofunktioita syvemmän analyyttisen ymmärryksen saavuttamiseksi. Osoitamme, että siirtynyt varaus ja sähkövirta koostuvat selvästi erillisistä kvantti- ja klassisesta kontribuutiosta. Näiden suureiden kvanttiosissa esiintyy kvantti-interferenssi-ilmiöistä peräisin olevia oskillaatioita, ja niitä voidaan mitata suorittamalla mittauksia eri lämpötiloissa. Tutkimuksemme osoittaa, että näiden oskillaatioiden lukumäärä on verrannollinen jännitteen virittämien alkeisvarausten lukumäärään. Näytämme myös, kuinka korrelaatiofunktion nollakohdat sisältävät kaiken oleellisen tiedon virittyneiden hiukkasten interferenssistä. Tämän työn tulokset muodostavat teoreettisen oppaan tuleville yhden- tai muutaman elektronin interferometriaa tutkiville kokeille.Description
Supervisor
Flindt, ChristianThesis advisor
Burset Atienza, PabloKeywords
mesoscopic conductors, Floquet scattering theory, Mach-Zehnder interferometer, levitons, single-electron sources, electron quantum optics