Quantification de la charge macroscopique dans les nanostructures metalliques

par Philippe Lafarge

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-François Pétroff.

Soutenue en 1993

à Paris 6 .

mots clés

Résumé

Nous avons demontre experimentalement la quantification de la charge moyenne d'une electrode metallique connectee a un reservoir d'electrons par une jonction tunnel. En utilisant une jonction de dimensions nanometriques on peut rendre l'energie electrostatique d'un electron en exces dans l'ile (l'electrode metallique) largement superieure a l'energie caracteristique des fluctuations thermiques. Nous avons montre que nous pouvions fixer le nombre moyen d'electrons en exces par une tension de commande. Les variations de la charge moyenne de l'ile (charge macroscopique) en fonction de cette tension ont la forme d'une courbe en marches d'escalier et sont en bon accord avec les predictions theoriques prenant en compte les fluctuations thermiques. Pour une ile supraconductrice, l'experience montre que les marches correspondant a un nombre impair d'electrons sur l'ile sont plus courtes que les marches correspondant a un nombre pair d'electrons. Nous interpretons cet effet comme une manifestation de l'appariement des electrons dans l'ile supraconductrice. De l'asymetrie des marches nous avons deduit la difference d'energie libre entre les etats a nombre impair d'electrons dans l'ile et les etats a nombre pair d'electrons et nous avons obtenu un tres bon accord entre nos resultats experimentaux et les calculs theoriques. Enfin, en dessous d'une temperature seuil, nous avons observe que les marches impaires disparaissaient et qu'alors la charge macroscopique etait quantifiee en unites de 2e. Nous avons egalement montre que le dispositif de la pompe a electrons, qui permet de batir un courant electron par electron, pourrait theoriquement, avec quatre iles, atteindre une precision metrologique. Cette analyse est basee sur le calcul d'une expression non divergente du taux des evenements tunnel d'ordre superieur a travers plusieurs jonctions tunnel en serie. Enfin, nous avons observe des evenements tunnel individuels en mesurant les variations de la charge instantanee d'une electrode connectee a un reservoir d'electrons par quatre jonctions en serie

Titre traduit

Macroscopic charge quantization in metallic nanostructures

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