Generating single-electrons and controlling of individual single-electrons in mesoscopic systems are important to explore the electron version of quantum optics. Moreover, a precise control of the Coulomb interaction between generated electrons is required to study nonlinear regime in electron quantum optics where the presence of an electron changes a quantum state of another electron. This nonlinearity is applicable for the quantum logic gates based on electron flying qubits. For realizations of these applications, there are several requirements to be done. It is required to have a phase coherent single-electron that can interact with another electron via the Coulomb interaction. Measuring a wave function probability with respect to time (arrival time distribution) is needed to evaluate the wave function and to find the timing for electron collisions. Understanding dynamics of two electrons with Coulomb interaction is important for the nonlinearity. In this dissertation, we present studies pursuing the above requirements. Firstly, we demonstrate a new single-electron source having hybrid structures of a coherent single-electron source and a single-electron source that emits electrons interacting with other electrons. Secondly, we study the quantum dynamics of generated single-electrons through a dynamical potential barrier and quantify the condition at which the barrier reconstructs the arrival time distribution of electrons. Thirdly, we study time-resolved dynamics of electrons with the Coulomb interaction, by colliding two counter-propagating electrons. Lastly, we suggest a way to quantify and sense the Coulomb interaction.
중시물리 영역에서 단일 전자의 생성과 제어는 전자 기반의 양자광학 연구에 중요하다. 또한 생성된 전자 간의 쿨롱 상호작용을 제어하는 것은 전자의 존재가 다른 전자의 상태를 변화시키는 비선형 특성 연구에 필요하다. 비선형 특성은 궁극적으로 양자 정보 처리에 응용할 수 있다. 위와 같은 응용을 하기 위해서는 선행되어야 하는 연구들이 있다. 다른 전자와 상호작용이 가능한 결 맞은 전자를 만드는 전자원이 필요하며 전자의 파동 함수를 평가하고 두 전자의 충돌 시간을 알기 위해서 시간에 따른 전자의 파동함수 확률 혹은 도착 시간 분포를 측정하는 것이 요구된다. 또한 쿨롱 상호작용하는 전자들을 이해하는 것이 필요하다. 본 학위논문에서는 위의 요구에 대한 일련의 연구를 제시한다. 첫 번째로 결 맞은 전자를 발생할 수 있는 전자원과 생성된 전자 간의 상호작용이 가능한 전자원의 혼합된 구조를 가지는 새로운 단일 전자원을 개발하였다. 두 번째로 전자가 동적인 포텐셜 장벽을 지나가는 과정을 연구하였고 도착 시간 분포를 재현하는 조건을 찾았다. 세 번째로 두 개의 반대 방향으로 오는 전자들을 충돌시킴으로써 시간에 따른 쿨롱 상호 작용의 동역학에 대해 연구하였다. 마지막으로 두 전자 간의 쿨롱 상호 작용을 정량적으로 이해하고 감지하는 방식에 대해서 제시하였다.
