Service de Physique de l'Etat Condensé

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Temps de tunneling électronique et ses fluctuations
Electron tunneling time and its fluctuations

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

03-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ALTIMIRAS Carles
+33 1 69 08 72 35

Résumé/Summary

Nous nous proposons de mesurer "in-situ" les fluctuations temporelles de la charge portée par des électrons se trouvant sous un barrière de potentiel par effet tunnel.
We will measure de the charge time-fluctuations of electrons trapped within a potential barrier by the tunneling effect.

Sujet détaillé/Full description

Défiant notre intuition usuelle, l'effet tunnel quantique fascine les physiciens depuis des décennies. Très vite après sa découverte, s'est posé la question de savoir combien de temps les particules passent sous la barrière classiquement interdite. Malgré sa simplicité, une telle question est mal définie en termes d’observables quantiques et n’admet pas de réponse unique, entrainant ainsi au cours des dernières décennies un ensemble de définitions différentes correspondant à divers scénarios.
Suite à une proposition de Büttiker & collaborateurs [1], cette question sera abordée en considérant une observable bien définie : la mesure du spectre des fluctuations temporelles du nombre de particules résidant dans la barrière classiquement interdite. L'idée est d'exploiter un système de gaz d'électrons 2D dans un semi-conducteur, dans lesquels des portes métalliques couplées électrostatiquement peuvent être utilisées pour générer la barrière de potentiel électrostatique sur laquelle les électrons sont dispersés (contact à point quantique). Ces mêmes portes peuvent être également utilisées pour mesurer de façon indirecte les fluctuations de charge, fonction du nombre d'électrons de tunnel résidant sous la barrière.
Malgré sa simplicité conceptuelle, la mise en œuvre d'un tel scénario est une tâche délicate, car elle nécessite la collecte d'un signal radiofréquence (RF) de très faible amplitude, émis par une source d'impédance de sortie très élevée dans un réfrigérateur à dilution (T << 1K). Pour relever ce défi, nous nous appuierons sur l’expertise du groupe dans la conception RF et les mesures de bruit ultra faible dans les environnements cryogéniques, en mettant notamment en œuvre des circuits d’adaptation RF à haute impédance récemment développés, permettant de collecter efficacement le signal dans une chaîne de détection RF.
L’étudiant participera à la conception des circuits radiofréquence, à leur fabrication en salle blanche et à leur mesure en exploitant des techniques de mesure de faible bruit, à la fois dans la gamme proche du continu et dans la gamme des quelques GHz. Il se familiarisera également avec les techniques cryogéniques sous-Kelvin.
Challenging our classical intuition, quantum tunneling has fascinated physicists for decades. Very soon after its discovery, it raised the question of how much time do particles spend under the classically forbidden barrier. Despite its simplicity, such a question is ill defined in terms of quantum observables and does not admit a single answer, thus triggering over the past decades a bunch of different definitions corresponding to different (though) scenarios.
Following a proposal of Büttiker & collaborators [1], we will address this question from the perspective of a well-defined observable: that is, measuring the spectrum of time fluctuations of the number of particles residing within the classically forbidden barrier. The idea is to exploit semiconducting 2D electron gases where electrostatically coupled metallic gates not only can be used to generate the electrostatic potential barrier upon which the electrons are scattered (a Quantum Point Contact), but could be used as well to collect the mirror influence-charges fluctuating in response to the tunneling electrons residing beneath the gate. Despite its conceptual simplicity, implementing such a scenario is a formidable task since it demands collecting a tiny radiofrequency (RF) signal emitted by a huge output-impedance source in a sub-Kelvin (dilution) refrigerator. We will build upon the group’s expertise in RF design and ultra-low noise measurements in cryogenic environments in order to overcome this challenge, notably implementing recently developed high impedance RF matching circuits allowing us to efficiently collect the signal into a RF detection chain.
The student will participate to the radiofrequency design of the samples, to their fabrication in a clean-room environment, and to their measurement exploiting low noise measurement techniques both in the near DC and the few GHz range. He will become familiar with sub-Kelvin cryogenic techniques as well.


References:
[1] Pedersen, van Langen, and Büttiker, Phys. Rev. B 57, 1838 (1998).

Mots clés/Keywords

Transport quantique, effet tunnel
Quantum transport, tunneling effect

Compétences/Skills

Mesures électriques DC et radiofréquences ultra-bas bruit design microondes. - Fabrication en salle blanche de circuit semiconducteurs nano-structurés - cryogénie
Ultra-low noise DC and RF electrical measurements microwave design - Clean-room fabrication of nanostructured semiconducting circuits - Cryogenics
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Transport quantique de chaleur dans les hétérostructures de Van der Waals à base de graphène
Quantum heat transport in graphene Van der Waals heterostructures

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

26-04-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PARMENTIER François
+33 1 69 08 73 11

Résumé/Summary

L'objectif de ce projet est d'explorer par des mesures de bruit le transport quantique de chaleur dans les nouveaux états de la matière apparaissant dans le graphène ultra-propre sous fort champ magnétique.
The goal of this project is to explore quantum transport of heat in new states of matter arising in ultra-clean graphene in high magnetic fields, using ultra-sensitive electronic noise measurements.

Sujet détaillé/Full description

L’obtention d’échantillons de graphène (un cristal bidimensionnel d’atomes de carbone dans un réseau en nid d’abeilles) ultra-propres a récemment permis l’observation de nouveaux états de la matière condensée dans le graphène sous fort champ magnétique. En particulier, de nouveaux états de l’effet Hall quantique ont été observés pour des très faibles densités de porteurs de charge [1], pour lesquelles les interactions et les corrélations électroniques peuvent rendre le graphène totalement isolant, ou faire donner lieu à un régime d’effet Hall quantique de spin. Dans celui-ci, l’intérieur du plan de graphène est isolant, et le courant électrique est transporté uniquement le long des bords, chaque orientation de spin se propageant dans une direction opposée. La nature exacte de ces différents états n’est pas encore complètement connue, du fait notamment qu’il n’est pas possible de sonder les propriétés des régions isolantes par des mesures usuelles de transport électronique.

Nous proposons une nouvelle approche pour sonder ces phases, basée sur la mesure du flux quantique de chaleur transporté par les excitations neutres de ces systèmes, comme les ondes de spin, à très basse température. Notre méthode consistera à connecter le graphène avec des petites électrodes métalliques qui serviront de réservoirs thermiques. La température de chacun de ces réservoirs sera déterminée à l’aide de mesures de bruit ultra-sensibles [2], ce qui donnera accès au flux de chaleur.

La première étape consistera à fabriquer les échantillons de graphène encapsulé dans du nitrure de bore hexagonal [3]. Cette technique, récemment développée au laboratoire, permet d’obtenir des cristaux de graphène ultra-purs, et de relativement grande taille. En parallèle, une plate-forme expérimentale pour effectuer des mesures de bruits ultra-haute sensibilité, à très basse température et forts champs magnétiques, sera mise en place au laboratoire.

[1] Young et al., Nature 505, 528-532 (2014).
[2] Jezouin, Parmentier et al., Science 342, 601 (2013).
[3] Wang et al., Science 342, 614 (2013).
The ability to obtain ultra-clean graphene (a two-dimensional crystal made of Carbon atoms in a honeycomb lattice) samples has recently allowed the observation of new phases of condensed matter in graphene under high magnetic fields. In particular, new states of the quantum Hall effect were observed at low charge carrier density [1], where interactions and electronic correlations can either make graphene completely electrically insulating, or give rise to the quantum spin Hall effect. In the latter, the bulk of the two-dimensional crystal is insulating, while electronic current is only carried along the edges of the crystal, with opposite spins propagating in opposite directions. The exact nature of those various states is still not fully understood, as one cannot probe the properties of the insulating regions by usual electron transport measurements.

We propose a new approach to probe those phases, based on the measurement of quantum heat flow carried by chargeless excitations such as spin waves, at very low temperature. Our method will consist in connecting the graphene crystal to small metallic electrodes which will be used as heat reservoirs. The temperature of each reservoir will be inferred by ultra-sensitive noise measurements [2], allowing us to extract the heat flow.

The first step of this project will consist in fabricating the samples made of graphene encapsulated in hexagonal boron nitride [3]. This technique, which we have recently developed in our lab, allows to obtain large-area, ultra-clean graphene flakes. In parallel, an experimental platform for low-temperature, high magnetic field, ultra-high sensitivity noise measurements will be set up.

[1] Young et al., Nature 505, 528-532 (2014).
[2] Jezouin, Parmentier et al., Science 342, 601 (2013).
[3] Wang et al., Science 342, 614 (2013).

Mots clés/Keywords

Physique quantique, graphène, transport de chaleur
Quantum physics, graphene, heat transport

 

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