Etude expérimentale de la transition métal-isolant en dimension deux

Experimental investigation of the two-dimensional metal-insulator transition

• Auteur / Autrice : Renaud Leturcq
• Direction : Denis L'Hôte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Gaz bidimensionnel d'électrons

Hétérostructures semiconductrices

Interaction et désordre

Transport non-ohmique

Couplage électron-phonon

Fluctuations de résistance

Résumé

Dans des hétérostructures semiconductrices à basse température, il est possible de réaliser des systèmes d'électrons purement bidimensionnels de densité électronique variable. A basse densité, la théorie prédit que les corrélations entre électrons dominent les fluctuations quantiques, conduisant à un état collectif tel le cristal de Wigner. Dans les systèmes réels, la présence de désordre rend la situation plus complexe: l'observation récente d'une transition métal-isolant, non prévue par les théories d'électrons indépendants, pose la question de la compétition entre les interactions et le désordre en dimension deux. Ce travail présente des mesures de transport en fonction du champ électrique, et des mesures de fluctuations de résistance, à très basse température dans des gaz bidimensionnels de trous formés dans des puits quantiques SiGe et GaAs. Dans ces systèmes, la masse effective élevée des porteurs et la faible densité permettent d'atteindre un régime où les interactions ne sont plus négligeables. Dans les échantillons désordonnés (SiGe), pour lesquels les lois de transport peuvent être expliquées dans le cadre de particules indépendantes, les effets de champ électrique sont dus au chauffage des porteurs. L'étude de ces effets a permis de déduire la nature du couplage électron-phonon dans ce système. Par contre, dans les échantillons moins désordonnés (GaAs), les lois de transport en température et en champ électrique à très faible densité peuvent évoquer le transport d'une phase collective. Les mesures des fluctuations de résistance, ou bruit en 1/f, apportent des informations complémentaires par rapport aux mesures de transport. Dans, les échantillons GaAs, l'observation d'une loi d'échelle sur le bruit est caractéristique d'une transition de phase à basse densité. Ces résultats sont compatibles avec les scénarios de formation d'une phase collective en présence de désordre par l'intermédiaire d'une transition de percolation.

One can make a two dimensional electron system with a tunable electronic density in semiconductor heterostructures at low temperature. At low density, the theory predicts that electron correlations should overcome the quantum fluctuations, leading to a correlated electronic state such as the Wigner crystal. In real systems, disorder can lead to a much intricate problem: the recent observation of a metal-insulator transition has raised the question of interactions and disorder in two dimensions. This study concerns transport measurements as a function of electric field, and resistance fluctuations measuremepts, at very low temperature in two-dimensional hole gases formed in GaAs and SiGe quantum wells. The high effective mass and low density in these systems lead to strong interactions that cannot be neglected any more. In the most disorderer samples (SiGe), where transport can be explained in the independent particles' approximation, electric field effects are due to carriers heating. More careful studies allowed us to extract electron-phonon coupling parameters. On the contrary, in less disordered samples (GaAs), transport laws as a function of the temperature and the electric field at low density can be related to transport in the case of a collective state. Resistance fluctuations measurements, or 1/f noise, give additional informations compared to transport measurements. In GaAs samples, the noise magnitude as a function of the resistance shows a scaling law, which is a feature of a phase transition at low density. These results are compatible with scenarios predicting that the Wigner transition with disorder could be a percolation transition.