Projet ANR-13-JS04-0007 – nano-SO2DEG : Nanostructures à effet de champ dans les gaz bidimensionels supraconducteurs à l'interface d'oxides
Programme : JCJC - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (JCJC SIMI 4)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur nicolas BERGEAL (Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 241280.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 42 mois
Résumé : Nanostructures à effet de champ dans les gaz bidimensionels supraconducteurs à l'interface d'oxidesGrâce aux progrès récents en matière de croissance de films minces, il est aujourd’hui possible de façonner artificiellement des hétérostructures à base d’oxydes dans lesquels de nouveaux phénomènes physiques sont attendus. Dans ce contexte, la découverte de gaz d’électrons bidimensionnels supraconducteurs dans des hétérostructures d’oxydes à base de SrTiO3 a suscité un intérêt considérable et ouvert de nouvelles opportunités. 
Nanostructures à effet de champ dans les gaz bidimensionels supraconducteurs à l'interface d'oxides L’objectif de ce projet est de fabriquer des nanostructures dans les gaz d’électron bidimensionnels à l’interface LaXO3/SrTiO3 (X=Ti or Al) et d’étudier le couplage entre supraconductivité et fort couplage spin-orbite Rashba. La fabrication et le fonctionnement de ces dispositifs reposent sur le contrôle par effet de champ électrique des propriétés du 2DEG à l'échelle nanométrique grâce à des électrodes de grille locales. Deux problématiques seront abordées dans ce projet :	La première est l’étude de nanostructures où le 2DEG est confiné dans une géométrie de type contact ponctuel quantique (QPC) à l’aide d’électrodes de grille locales. Dans l’état normal, nous étudierons le transport électronique dans un petit nombre de canaux de conduction et tenterons d’atteindre le régime de quantification de la conductance.  Dans l’état supraconducteur, nous étudierons le contrôle par effet de champ électrique du courant Josephson, lequel est porté par les états liés d’Andreev localisés dans le QPC. Des mesures de transport DC et de bruit de grenaille à tension finie, dans le régime des réflexions d’Andreev multiples, devraient révéler d’importantes informations sur la conduction du 2DEG, notamment le nombre de canaux impliqués et la probabilité de transmission associée.	La seconde, mais non la moindre, portera sur l’étude de dispositifs mésoscopiques impliquant des parties supraconductrices couplées à des régions avec de fort couplage spin-orbite Rashba. Ce dernier devrait fortement affecter les états d’Andreev en levant la dégénérescence de spin dans la région normale. Par conséquent le courant Josephson à travers la structure devrait présenter une relation courant phase anormale, due au couplage spin orbite dans la région non supraconductrice. Les expériences seront réalisées sur des dispositifs ayant à la fois une géométrie linéaire (nanofils) et  une géométrie annulaire.
Nanofabrication et mesures de transport électroniqueLes gaz 2D aux interfaces d'oxyde ont des propriétés électroniques qui sont radicalement différentes de celles rencontrées dans les semi-conducteurs classiques, ce qui les rend particulièrement intéressants pour réaliser des expériences à la frontière entre la physique mésoscopique et de la matière condensée. En particulier, la possibilité d'avoir à la fois une supraconductivité à deux dimensions et un couplage spin-orbite Rashba dans le même système constitu  une situation unique qui n'a pas d'équivalent dans un autre système électronique. Afin d'explorer pleinement ce régime très particulier, il est crucial de fabriquer des nanostructures où le gaz 2D peut être manipulé avec des grilles locales. Les dimensions latérales de ces dispositifs doivent être comparables aux longueurs caractéristiques impliquées dans le phénomène physique d'intérêt (la longueur de cohérence supraconductrice,  la longueur de Thouless, longueur de relaxation de psin ...). Nous fabriquons  des dispositifs à effet de champ dans LaAlO3/ SrTiO3 en utilisant deux techniques différentes, l'une basée sur un masque de LaAlO3 amorphe et l'autre sur l'irradiation ionique
Résumé de la soumission : Les gaz d’électron bidimensionnels (2DEG) à base d’hétérostructures semiconductrices ont joué un rôle crucial à la fois en science fondamentale et dans les applications technologiques. Grâce aux progrès récents en matière de croissance de films minces, il est aujourd’hui possible de façonner artificiellement des structures similaires à base d’oxydes dans lesquels de nouveaux phénomènes physiques sont attendus. Dans ce contexte, la découverte de gaz d’électrons bidimensionnels supraconducteurs dans des hétérostructures d’oxydes à base de SrTiO3 a suscité un intérêt considérable et ouvert de nouvelles opportunités. L’objectif de ce projet est de fabriquer des nanostructures dans les gaz d’électron bidimensionnels à l’interface LaXO3/SrTiO3 (X=Ti or Al) et d’étudier le couplage entre supraconductivité et fort couplage spin-orbite Rashba. La fabrication et le fonctionnement de ces dispositifs reposent sur le contrôle par effet de champ électrique des propriétés du 2DEG à l'échelle nanométrique grâce à des électrodes de grille locales. Les propositions élaborées ici s’appuient sur des  premiers résultats significatifs obtenus durant les deux dernières années dans le domaine des interfaces d’oxydes. L'équipe est composée de jeunes chercheurs et jeunes chercheuses dont l'expertise, à la fois dans le domaine de la matière condensée et dans celui de la physique mésoscopique, est un atout majeur pour mener à bien ce projet.	Deux problématiques seront abordées dans ce projet :	La première est l’étude de nanostructures où le 2DEG est confiné dans une géométrie de type contact ponctuel quantique (QPC) à l’aide d’électrodes de grille locales. Dans l’état normal, nous étudierons le transport électronique dans un petit nombre de canaux de conduction et tenterons d’atteindre le régime de quantification de la conductance.  Dans l’état supraconducteur, nous étudierons le contrôle par effet de champ électrique du courant Josephson, lequel est porté par les états liés d’Andreev localisés dans le QPC. Des mesures de transport DC et de bruit de grenaille à tension finie, dans le régime des réflexions d’Andreev multiples, devraient révéler d’importantes informations sur la conduction du 2DEG, notamment le nombre de canaux impliqués et la probabilité de transmission associée.	La seconde, mais non la moindre, portera sur l’étude de dispositifs mésoscopiques impliquant des parties supraconductrices couplées à des régions avec de fort couplage spin-orbite Rashba. Ce dernier devrait fortement affecter les états d’Andreev en levant la dégénérescence de spin dans la région normale. Par conséquent le courant Josephson à travers la structure devrait présenter une relation courant phase anormale, due au couplage spin orbite dans la région non supraconductrice. Les expériences seront réalisées sur des dispositifs ayant à la fois une géométrie linéaire (nanofils) et  une géométrie annulaire. Les résultats seront comparés aux récentes prédictions théoriques. L'observation directe des états d'Andreev dépendant du spin induits par le couplage spin-orbite Rashba  constituerait une étape importante en vue de tester deux prédictions majeurs dans le domaine de la physique des solides : l'existence des fermions de Majorana  et l'effet Aharonov-Casher.
Résultats : Nous avons montré que la supraconductivité peut être électrostatique modulée sur une large gamme à la fois par une top-gate et une back-gate. Une transition de phase quantique supraconducteur-isolant est induite lorsque le puits quantique est fortement déplétée. En analysant les mesures de magnéto conductance, la présence d'un couplage spin-orbite fort pouvant être contrôlé avec les deux grilles a été mise en évidence. L'énergie caractéristique associée est de l'ordre de quelques meV et augmente linéairement avec le champ électrique interfaciale en accord avec le mécanisme Rashba. Ces résultats, publiés récemment, correspondent à l'objectif premier du projet (S. Hurand et al. Sci. Rep. (2015), S. Hurand et al. Appl. Phys. Lett. Soumis)
Perspectives : Notre objectif principal est de mettre en évidence le rôle du couplage spin-orbite Rashba sur les états d'Andreev dans une jonction supraconducteur-normal-supraconducteur. Pour cela nous fabriquons des dispositifs mésoscopiques où deux réservoirs supraconducteurs définis dans un le gaz 2D sont reliés par une région normale avec un couplage spin-orbite fort. Des géométries linéaires (nanofil) ou annulaires sont en cours de réalisation. Nous étudieront le courant Josephson à travers la jonction, et chercherons des signatures spécifiques telle qu'une relation de phase anormale liée au couplage spin-orbite dans la partie non-supraconducteur. Les paramètres pertinents tels que la géométrie ou la force du couplage spin-orbite seront contrôlés avec un ensemble de grilles locales. Les résultats seront comparés aux prédictions théoriques récentes. Le principal défi est d'arriver à atteindre les énergies pertinentes dans ces nanostructures (SOC Rashba, Zeeman, énergie de Thouless) pour observer des signatures claires.
Publications et brevets : 1.	 Biscaras, J. et al. Limit of the electrostatic doping in two-dimensional electron gases of LaXO3(X=Al,Ti)/SrTiO3. Sci. Rep. 4, 6788 (2014).
2.      Hurand, S. et al. Field-effect control of superconductivity and Rashba  spinorbit coupling in top-gated LaAlO3 \SrTiO 3 devices. Sci. Rep. 5, 12751, (2015).