Projet ANR-10-BLAN-0401 – ITEM-Exp : Interaction et Transport à l’Echelle Mésoscopique - Expériences
Programme : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Constituants fondamentaux de la matière, physique de la matière condensée (Blanc SIMI 4)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Hermann SELLIER (CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES)
Partenaires : Service de Physique Statistique, de Magnétisme et de Supraconductivité; Laboratoire de Photonique et de Nanostructures; Institut Neel
Montant : 330000.0 euros
Date de début : 2010
Durée : 48 mois
Résumé : Interactions et transport à l'échelle mésoscopiqueLe projet vise à comprendre les interactions entre électrons dans les dispositifs électroniques de dimensions nanométriques dont le comportement est très différent de celui des transistors classiques utilisés en microélectronique.
Comprendre les anomalies de conductance dans les contacts ponctuels quantiquesL'objectif du projet est de mettre en évidence et de caractériser les interactions entre électrons dans les nanostructures semiconductrices comme les contacts ponctuels quantiques. Ces interactions sont en effet importantes à faible densité électronique (sous le premier plateau de conductance) et sont supposées être responsables des anomalies de conductance appelées « anomalie 0,7 » et « anomalie zero-bias » dont l'origine exacte est encore inconnue. Ce projet bénéficie d'un partenariat fort avec les partenaires théoriciens du projet ANR ITEM-th.
Interférométrie et microscopie à grille localeLes interactions sont sondées grâce à l'ajout d'une grille supplémentaire placée à la sortie du contact quantique afin d'induire des interférences électroniques et de modifier ainsi la densité électronique dans le contact. On s'attend alors à une modulation de l'intensité des anomalies de conductance que l'on observe par des mesures de transport électrique.  Cette méthode est également appliquée avec une technique expérimentale originale utilisant l'électrode de grille mobile d'un microscope à sonde locale.
Résumé de la soumission : Ce projet propose d'étudier expérimentalement la physique des systèmes électroniques de faible densité où des états fortement corrélés sont attendus à basse température. Nous étudierons des Contacts Ponctuels Quantiques (QPC), proches du quantum de conductance 2e²/h et à des valeurs inférieures lorsque les interactions électron-électron produisent un phénomène particulier appelé "anomalie 0,7". Cette anomalie dans la quantification de la conductance en-dessous du premier plateau est le résultat d'une physique complexe impliquant interactions coulombiennes, spin électroniques, impuretés, désordre. Plusieurs groupes l'ont déjà étudiée, mais toujours avec la même approche basée sur des mesures classiques de transport, et l'origine de ce phénomène reste indéterminée. L'ambition de ce projet est d'apporter une contribution significative à ce domaine en explorant une nouvelle approche expérimentale basée sur la combinaison d'un QPC et d'un centre diffuseur couplé de manière cohérente au QPC. Ce diffuseur renvoie les électrons sortant du QPC vers celui-ci, modifie la densité électronique dans le QPC de manière "non-locale", et change ainsi l'intensité des interactions dans le QPC. C'est une manière originale pour étudier les propriétés de l'état électronique corrélé qui se forme à basse densité dans le QPC, sans changer de manière capacitive la taille de la constriction.Ce projet va utiliser les potentialités uniques d'un Microscope à Grille Locale pour déplacer le centre diffuseur en déplaçant la pointe nanométrique qui crée localement une déplétion dans le système électronique. Ces expériences seront menées jusqu'à très basse température et sous fort champ magnétique parallèle pour analyser les contributions de spin. Des expériences similaires seront menées en parallèle par des mesures de transport standard dans l'environnement parfaitement filtré d'un réfrigérateur à dilution dédié à l'étude de dispositifs mésoscopiques très sensibles. Pour ces expériences, le projet prévoit l'étude de dispositifs avec un QPC et un centre diffuseur fixe induit par une petite grille placée à proximité du QPC, et également de dispositifs avec un QPC et un petit anneau quantique permettant de contrôler la diffusion électronique avec un champ magnétique perpendiculaire, découplé du contrôle capacitif du QPC. Le projet implique trois partenaires : NEEL, INAC, LPN. Tous sont experts dans le domaine de la physique mésoscopique à basse température, avec des compétences complémentaires qui permettront de mener à bien ces nouvelles approches expérimentales.Les résultats attendus incluent la détermination de la valeur de l'énergie d'interaction à basse densité dans un QPC et l'origine microscopique de l'anomalie 0,7 observée sous le premier plateau de conductance. Nous pourrons déterminer lequel des modèles théoriques proposés est le plus pertinent pour décrire l'état électronique à basse densité, parmi une polarisation de spin, un cristal de Wigner, ou un état de type Kondo. De façon plus générale, ce projet aboutira à une meilleure compréhension des propriétés des QPC, qui sont des éléments importants dans les circuits électroniques plus complexes comme les interféromètres à électrons dans le régime d'effet Hall quantique.
Résultats : Un résultat inattendu a été obtenu par microscopie à grille locale. Nous avons mis en évidence la formation d'un état localisé dans le contact avec un comportement différent si le nombre d'électrons localisés est pair ou impair. Ceci est un résultat important car cet état localisé appelé cristal de Wigner correspond à une prédiction théorique ancienne mais celui-ci n'avait pas encore été observé.
Perspectives : Nous avons mis en évidence un comportement anormal des interférences lorsque le contact quantique montre les anomalies liées aux interactions. C'est une première étape vers l'objectif final du projet.
Publications et brevets : Nos résultats ont été présentés à plusieurs conférences internationales et dans un article qui est disponible sur le site http://arxiv.org/abs/1307.8328