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Conduction quantique
et Physique mésoscopique
Gilles Montambaux users.lps.u-psud.fr/montambaux
PHY 560B
2
anneau métallique CuGaz 2D, semiconducteur (AlGaAs)
Nanotube de carbone
Graphène
1m
20 nm
1 nm
3
There's Plenty of Room at the BottomAn Invitation to Enter a New Field of Physics
1959
1A 1-10 nm 1 m-10m
atome nano macromeso
R.P. Feynman (1918-1988)
4
Mécanique quantique Théorie des bandes* Métaux * Isolants* Semiconducteurs
Comprendre les propriétés macroscopiques, à partir dumicroscopique : Description microscopique, physique quantique + physique statistique
Ex: Recouvrement des orbitales atomiques+ électrons dans potentiel périodique Théorie des bandes+ interactions e-eSupraconductivité, magnétisme
5
Propriétés macroscopiques
description « classique » : Drude, principe de Pauli : Sommerfeld, …Conductivité et loi d’Ohm
Au-delà : interférences quantiques :
Transport électronique :
Exemple : La résistance R (ou la conductance G) ne dépend pas uniquement du matériau, mais aussi de la façon dont on le contacte au monde macroscopique
6
La conductance de ce contact d’atomes d’Or est-elle reliée àla conductivité de l’Or, suit-elle la loi d’Ohm?
NON nouveaux concepts, nouveaux outils
7
macroscopique1nm 10 1000nm 1 m
nanoscopique
A partir de quelle échelle, de nouveaux concepts sont-ils indispensables?
Lel
Libre parcours moyen : distance entre collisions élastiques
Longueur de cohérence de phase
mésoscopique
balistique diffusif
el
L
8
e F el v
L
Libre parcours moyen : distance entre collisions élastiques
Longueur de cohérence de phase
el
L
Interaction avec un degré de liberté extérieur
9
La loi d’Ohm
I G V
SGL
1789-1854
10
j E
A BV V V E L
I j S E S
AV BVjE
I G V
SGL
La loi d’Ohm
11
SGL
2en e
m
Loi d’Ohm
Formule de Drude-Sommerfeld
Validité ? Pas d’inférences quantiquesRégime diffusif
L L
elL
12
Nouveaux comportements non classiques
1 2R R R
LRS
1 2G G G
SGL
1R 2R
2G1G
13
int10
22cosI I I I
R. Webb (IBM, 1985) expérience fondatrice de la physique mésoscopique
Interférences entre ondes électroniques (cf. trous d’Young)
1m
1I
2II
Effet Aharonov-Bohm (1959) L L
0he
14
On mesure une conductance et pas une conductivité
La conductance dépend de la façon dont on la mesure
B
15
Fluctuations universelles de conductance
Cf. Speckle en optique
22 2 eG G G
h
« Figure d’interférence » complexe qui dépend de la configuration précise du désordre dans l’échantillon
Au Si num.
16
a b
G. Maret
Speckle - Tavelure en optique
Analogies électronique – optique
conductance – coefficient de transmission
17
2
2 eG Th
2nem
Une nouvelle description du transport électronique :
La formule de Landauer
La conductance est un coefficient de transmission
Analogies avec l’optique, les guides d’onde
Au lieu de
18
2 2 22 2 int[ ]F
e e WG Mh h
Quantification de la conductance (1988)
Un point contact quantique
2eh
Quantum de conductance
19
Les matériaux
Les limitations de la description classiqueLe domaine de la physique mésoscopique
Formalisme de Landauer : conductance d’un circuit quantiqueTransport balistique
L’effet Hall quantique
Cohérence de phase et désordreDe l’équation de Schrödinger à l’équation de diffusionLocalisation faible et rétrodiffusion cohérente en optiqueFluctuations universelles de conductance et speckle en optique
La théorie des matrices aléatoires
La physique du graphène
Plan du cours
20
2 25812,807449(86)KhRe
L’effet Hall quantique (1981)
cf. quantification de la conductance, mais ici très grande précision
Etalon de résistance
21
L’effet Hall quantique fractionnaire (1983)
Mise en évidence de charges fractionnaires !
22
Théorie des matrices aléatoires
Décrire les niveaux d’énergie d’un système complexe
Noyaux Billards quantiquesAutres systèmes quantiques
atome d’hydrogène sous champ magnétiquesystèmes désordonnés (métaux)
Modes acoustiques, mécaniques, électromagnétiquesZéros de la fonction de Riemann
La physique du graphène
xq yq
E
xq yq
2E
Equation de Dirac
Système parfaitement 2D
Particules de masse nulle !
Applications importantes
Particule massive
Retour sur la conductivité de Drude - Sommerfeld2 ( )( ) ne TTm
1 1 1( ) ( )e inT T
Loi de Matthiessen
Collisions élastiques
Collisions inélastiques :
électron-phonon
cf. tableau
25
2ene
m
conductivité résiduelle :
20e D
Relation d’Einstein (PC)
Validité limitée à des échantillons macroscopiques
el L « régime diffusif »
e
e F el v
Formule de Drude
Temps de collision, temps de vie élastique
Libre parcours moyen
26
Fluctuations reproductibles de conductance
La description de Drude-Einstein est une description moyenne, correcte si
Comment aller au-delà de la moyenne, et décrire ces fluctuations ?
Domaine de la Physique Mésoscopique
el L L
L L
27
macroscopique1nm 10 1000nm 1 m
nanoscopique
Lelbalistique diffusif
mésoscopique
Les matériaux
Les techniques de fabrication
29
Les matériaux
Hétérostructures de semiconducteurs GaAs-AlGaAs
Transport diffusif ou balistique
Métaux Or, Argent, Cuivre,… Transport diffusif
10el nm
10el m
1 m
Gaz 2D
30
1nm 1 10 m
Lelbalistique
1nm 10 100nm 1 m
Lelbalistique diffusif
Métal
Gaz 2D semiconducteur
31
Fil métallique gravé : exemples
1 m
V V ++ I I ++
V V -- I I --
Institut Néel, Grenoble
32
w = 60 nmh = 50 nm
a = 640 nm
a = 690 nm
I I -- I I ++
Institut Néel, Grenoble
33
NanofabricationNanofabricationPMMA
substratSi
e -
métal
Lithographie Lithographie éélectroniquelectroniqueLPN Marcoussis
AgAg 6N (99.9999%)6N (99.9999%)SPEC-CEA Saclay
34
Lithographie Lithographie éélectroniquelectroniqueLPN Marcoussis
35
Principe : un puits de potentiel confine les électrons à l’interface de deux semiconducteurs différents.
Hétérostructures de semiconducteurs
Gaz 2D, très grande mobilité
B A
2DEG : gaz d’électronsbidimensionnel( )V z
36
Si-MOSFET
metal oxydeSiO2
Si
Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor
Grille
AlGaAs GaAs
GaAs
Al0.3Ga0.7As
Ec
Ev
+-
dopage Si
Hétérostructures de semiconducteurs
Dopage modulé : les porteurs libres sont éloignés des donneurs
cf. tableau
38
39
III V
Dopage n de AlGaAs par Si
40
Une grille métallique module la densité électronique
HEMT
41
Gaz d’électrons dans un potentiel 1D triangulaire
2
2 2( )2 x y iE k k k Em
42
Bell labs, 1968
43
MBE
LPN, Marcoussis
44
Le dopage modulé modulation doping, H. Stormer et al., Bell labs, 1978
Les électrons libres sont diffusés par les atomes d’impuretés donneurs et leur mobilité est faible
En éloignant les donneurs de l’interface, on réduit la diffusionet la mobilité est augmentée
45
Dernière étape : gravure du circuit
dépôt de grilles métalliques
L. Saminadayar
2 DEG
46
le = 300 m
Pfeiffer, West (Bell labs)
mobilité
em
dv E
47
Comparaison métal – gaz 2D
Bell Laboratories
Alexander Graham Bell (1847- 1922)
1880 – American Bell Telephone Company1927 – Nature ondulatoire des électrons1947 – Transistor1948 – Théorie de l’information1956 – Localisation d’Anderson1959 – MOSFET1960 – Epitaxie par jets moléculaires1964 – Rayonnement cosmologique 1969 – Unix, C1970 – Capteur CCD1978 – Dopage modulé1983 – Effet Hall quantique fractionnaire1985 – Refroidissement laser2000 : Lucent-Alcatel
Murray Hill, New Jersey
1876