Electron interactions in mesoscopic physics : Scanning Gate Microscopy and interferometry at a quantum point contact

par Boris Brun

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensé et du rayonnement

Sous la direction de Marc Sanquer et de Hermann Sellier.

Soutenue le 17-10-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) , Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) et de Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Julia Meyer.

Le jury était composé de Harold Baranger, Dietmar Weinmann.

Les rapporteurs étaient Patrice Roche, Francesco Giazotto.

  • Titre traduit

    Interactions électroniques en physique mésoscopique, microscopie à effet de grille local et interférométrie sur un contact ponctuel quantique


  • Résumé

    Au cours de cette thèse nous avons étudié les effets des interactions entre électrons dansles contacts ponctuels quantiques (QPCs). Les contacts ponctuels quantiques sont des petitscanaux quasi-unidimensionnels, définis à partir de gaz électroniques bidimensionnelsde haute mobilité (2DEG). Une tension négative appliquée sur des grilles métalliques audessus de la surface permet d’ouvrir ou fermer le QPC. Lorsqu’un QPC s’ouvre, de plusen plus de modes électroniques peuvent traverser le QPC, et sa conductance augmente parpas discrets, séparés par un quantum de conductance 2e2/h. On peut le comprendre parle transport unidimensionnel d’une seule particule, car chaque mode transverse contribuepour un quantum de conductance.Mais depuis leurs premières réalisations, les QPCs ont montré des déviations par rapportà ce modèle à une particule. Les plus connues sont un épaulement sous le premier plateau,autour de 0.7×2e2/h, appelé "l’anomalie 0.7", et un pic dans la conductance différentiellequi apparaît à basse température: l’anomalie à zéro polarisation (ZBA).L’instrument que nous avons utilisé pour étudier ces effets d’interactions est un microscopeà effet de grille local (SGM). Cette technique consiste à modifier localement le potentield’un dispositif à l’aide d’une pointe de microscope à force atomique (AFM) chargée négativement,et enregistrer les modifications de la conductance en fonction de la position dela pointe. En utilisant cette technique à très basse température, nous avons montré quenous pouvons moduler les anomalies de conductance du QPC. Nous avons interprété nosrésultats comme la signature d’un cristal d’électrons se formant spontanément à bassedensité dans le QPC à cause de la répulsion Coulombienne: un cristal de Wigner. Onpeut modifier le nombre d’électrons cristallisés en approchant la pointe, et obtenir dessignatures de la parité du nombre d’électrons localisés dans le transport électronique.En fonction de cette parité, le cristal de Wigner présente un état de spin différent, etl’écrantage de ce spin par les électrons de conduction au travers d’un mécanisme appeléeffet Kondo donne une anomalie à zéro polarisation formant alternativement un simplepic ou un double pic. Cette découverte apporte une avancée significative à ce domaine,qui a concentré les efforts de plusieurs groupes importants ces 15 dernières années.Nous avons ensuite réalisé des mesures interférométriques à l’aide du microscope SGM,en créant in situ des interféromètres dans le gaz 2D. Nous avons obtenu les signaturesd’un déphasage supplémentaire dans le régime de la ZBA. Nous attribuons cet effet audéphasage universel accumulé par les électrons à la traversée d’un singulet Kondo, ce quirenforce le fait que la ZBA trouve son origine dans les phénomènes Kondo.Enfin, nous avons adapté la technique SGM au transport thermoélectrique dans les QPCs,et avons imagé pour la première fois les interférences d’électrons se déplaçant sous l’effetd’une différence de température.


  • Résumé

    In this thesis, we studied the effect of electron electron interactions in quantum pointcontacts (QPCs). Quantum point contacts are small quasi-one dimensional channels,designed on a high mobility two-dimensional electron gas (2DEG). A negative voltageapplied on a pair of metallic split gates above the sample surface allows to open or closethe QPC. As a QPC opens, more and more electronic modes are allowed to cross theQPC, and its conductance increases by discrete steps, separated by a conductance quantum2e2/h. This can be understood from a single-particle picture in one-dimensionaltransport, as each transverse mode carries a conductance quantum.But from their first realization 25 years ago, quantum point contacts have shown deviationsfrom this picture, attributed to electron electron interactions. The most well knownare a shoulder below the first plateau, around 0.7×2e2/h, called the "0.7 anomaly", and apeak in the differential conductance that arises at low temperature: the zero bias anomaly(ZBA).The tool we used to study these interaction effects is a scanning gate microscope (SGM).It consists by changing locally the device’s potential with the polarized tip of an atomicforce microscope (AFM), and record the changes in conductance as a function of the tipposition. By performing this technique at very low temperature, we showed that we canmodulate the conductance anomalies of QPCs. We interpret our result as the signatureof a small electrons crystal forming spontaneously at low density in the QPC due to theCoulomb repulsion: a Wigner crystal. We can modify the number of crystallized electronsby approaching the tip, and obtain signatures of the parity of the localized electrons numberin transport features. Depending on this parity, the Wigner crystal has a differentspin state, and screening of this spin by the surrounding electrons through the so-calledKondo effect leads alternatively to a single peak or a split ZBA. This discovery bringsa significant advance in this field, that has attracted research efforts of many importantgroups in the world over the past 15 years.We then performed interferometric measurements thanks to the scanning gate microscopeby creating in-situ interferometers in the 2DEG. We obtained signatures of an additionalphase shift accumulated by the electrons in the ZBA regime. We attribute this effect tothe universal phase shift that electrons accumulate when crossing a Kondo singlet, reinforcingthat the debated origin of the ZBA lies in Kondo physics.Finally, we adapted the SGM technique to the study of thermoelectric transport in QPCs,and for the first time imaged interferences of electrons driven by a temperature difference.


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