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Le temps tunnel révélé par le bruit de grenaille quantique


Le temps qu’il faut à un électron pour traverser une jonction électronique par effet tunnel a été évalué théoriquement à quelques femto-secondes [1] mais n’a jamais été directement mesuré car il nécessite de mesurer le courant à des fréquences optiques. Il est connu depuis plus de 40 ans que dès que la tension aux bornes d’une jonction tunnel métallique dépasse un volt, elle émet un rayonnement infrarouge [2]. Nous avons ici démontré que cette émission de photons provient des fluctuations du courant à l’intérieur de la barrière tunnel. La détection de photons est alors équivalente à une mesure des fluctuations de courant à des fréquences optiques et permet de sonder le temps tunnel. Partant de cette idée, nous avons effectué des mesures de spectroscopie optique dans le proche infra-rouge et des mesures de fluctuations du courant électrique dans la gamme des radio-fréquences pour des tensions excédant la hauteur de la barrière tunnel. Nos données expérimentales sont en très bon accord avec les prédictions théoriques basées sur le formalisme de diffusion de Landauer-Büttikker. En combinant ainsi des mesures optiques et électroniques au LPS, nous avons, pour la première fois, directement estimé ce temps de traversée tunnel à 1,1 femto-seconde.

[1] R. Landauer & T. Martin. Barrier interaction time in tunneling. Review of Modern Physics 66, 217 (1994).
[2] J. Lambe & S. L. McCarthy. Light emission from inelastic electron tunneling. Physical Review Letters 37, 923 (1976).

a- Schéma du montage expérimental. Les flèches bleues indiquent la direction conventionnelle du courant. La courbe rouge correspond à l’amplitude du champ électrique du mode polaritonique. Les flèches rouges représentent les rayons de propagation dans la configuration "Kretschmann". b- Image optique de la configuration de Kretschmann utilisée pour coupler le plasmon localisé à l’interface électrode/vide au champ rayonnant. Le prisme conique permet de capter les photons par réflexion interne totale (barre d’échelle : 1 mm). c- Photographie optique de la jonction métallique en aluminium (barre d’échelle : 100 μm). d- Lumière émise par la jonction tunnel (I= 1,7 mA) directement observée avec une caméra sensible dans le domaine spectral 0,4-1 μm (barre d’échelle : 1mm)

Référence

Tunneling time probed by quantum shot noise
P. Février & J. Gabelli
Nature Communications, 9, 4940 (2018)
doi:10.1038/s41467-018-07369-6

Contact

Julien Gabelli