Quantum interference in dynamically driven mesoscopic conductors

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorBurset Atienza, Pablo
dc.contributor.authorKotilahti, Janne
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorFlindt, Christian
dc.date.accessioned2021-08-29T17:14:18Z
dc.date.available2021-08-29T17:14:18Z
dc.date.issued2021-08-24
dc.description.abstractMesoscopic 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.en
dc.description.abstractMesoskooppisista 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.fi
dc.format.extent56+5
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/109360
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-202108298596
dc.language.isoenen
dc.programmeMaster’s Programme in Engineering Physicsfi
dc.programme.majorEngineering Physicsfi
dc.programme.mcodeSCI3056fi
dc.subject.keywordmesoscopic conductorsen
dc.subject.keywordFloquet scattering theoryen
dc.subject.keywordMach-Zehnder interferometeren
dc.subject.keywordlevitonsen
dc.subject.keywordsingle-electron sourcesen
dc.subject.keywordelectron quantum opticsen
dc.titleQuantum interference in dynamically driven mesoscopic conductorsen
dc.titleKvantti-interferenssi dynaamisesti ajetuissa mesoskooppisissa johteissafi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöfi
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
local.aalto.electroniconlyyes
local.aalto.openaccessyes

Files

Original bundle

Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
master_Kotilahti_Janne_2021.pdf
Size:
6.47 MB
Format:
Adobe Portable Document Format