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Cohérence quantique électronique : courants permanents et effet Kondo Laurent Saminadayar Centre de Recherche sur les Très Basses Températures, Grenoble.

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1 Cohérence quantique électronique : courants permanents et effet Kondo Laurent Saminadayar Centre de Recherche sur les Très Basses Températures, Grenoble Université Joseph Fourier, Grenoble

2 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Collaborateurs Christopher Bäuerle Centre de Recherches sur les Très Basses Températures Laboratoire de Photonique et Nanostructures Université de Bochum Dominique Mailly Alain Benoît Andreas Wieck Stéphane Bonifacie François Mallet Arnaud Pouydebasque Wilfried Rabaud Félicien Schopfer Bénédicte Caillarec, Séverine Moraillon, Joël Navarro

3 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Courants Permanents 1D Courant total porté par lanneau : I 0 ~ 5 nA Büttiker et al. (Phys. Lett. 83) Sensible au nombre délectrons et au désordre I non dissipatif (x+L) = (x) exp(2i / 0 ) (x+L) = (x) exp(2i / 0 ) Périodicité du spectre dénergie Non supra London (1937)

4 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Expériences sur plusieurs anneaux Lévy et al. (PRL 90) Reulet et al. (PRL 95) Noat et al. (PRL 98) Jariwala et al. (PRL 01) Mesure du courant moyen : période 0 / DEG rings Deblock et al. (PRL 02) 10 5 Ag rings 10 7 Cu rings 30 Au rings

5 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Chandrasekhar et al. (PRL 91) Mailly et al. (PRL 93) Mesure du courant typique : période 0 1 Au - ring 1 DEG - ring Expériences sur un anneau unique

6 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Anneaux Connectés < l Seules Courant permanent Choc inélastique ne participe pas au courant permanent r = 0.6 r I isolé = I connecté Taille du réseau >> l P(r,r) Courants Permanents Taille du réseau >> l Résolution de léquation de diffusion du réseau Pascaud et Montambaux (PRL 99)

7 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre µm 1 µm RR 2 µm Taille totale > 12 l G 1 : référence = pas de courants permanents G1 Géométrie de léchantillon G2 G 2 : système isolé des réservoirs G3 G 3 : anneaux isolés les uns des autres n s = 5, cm -2 µ = 10 6 cm 2 V -1 s -1 l F = 35 nm, v F = 3, ms -1 l e = 8 µm, l 20 µm L2M

8 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre SQUID DC : IcIcIcIc M = IS 10 3 B Le détecteur 0s = h/2e Gradiomètre : tot = c I CP Étalonnage : + - pont entre les 2 étages I CP I

9 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre gravure des anneaux 2bis - contacts G2G2 G3G3 G1G1 3 - grilles et boucle détalonnage er étage SQUID ponts nd étage SQUID 5bis - ponts de Dayem 6 - raccordement SQUID 1 - croix dalignement

10 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre G2 G1 G3 Contacts Boucle détalonnage µ ponts : nm 3 G2 G1 G3 Les échantillons

11 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Signal Acquisition des mesures + S 1 = (M 1 - R 2 ) + (M 2 - R 3 ) + B 1 = (M 1 - M 2 ) + (R 2 - R 1 ) Calcul du signal et du bruit au même instant Même bruit 1/f

12 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Spectre typique FFT Signature des courants permanents 16 anneaux 1/f Paramètres géométriques Fluctuations lentes de T Dérive de lélectronique de SQUID … Transformée de Fourier des fichiers S et B Signal périodique << bruit apériodique Statistique sur 1000 spectres

13 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre nA ± 0.3 1,7 nA ± 0.3 0,35 nA ± ,4 nA ± 0.08 r ~ 0,9 ± 0,2 r ~ 1,2 ± 0,34 Rapport entre anneaux isolés et connectés 1,09 nA 0,62 nA 2,18 nA 1,25 nA W. Rabaud et al., Phys. Rev. Lett. (2001) Effets balistiques ? Interactions électron-électron ? Moyenne densemble ? Magnétisme orbital des métaux ?

14 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Saturation du temps de cohérence de phase T(K) D-Au 2D-Au 1D-Si 1D-GaAs 2D-AuPd 1D-nGaAs 2D-AuPd (nS) Akimoto et al., (PRL 03) Mohanty et Webb (PRL 97) Schopfer et al. (2004)

15 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Rôle des impuretés magnétiques Pannetier et al. (Phys. Scripta 86) (1ppm) annealing Benoît et al. (1988 ) Localisation faible Oscillations Aharonov-Bohm

16 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Magnétorésistance (ns) T (mK) T -2/3 (AAK) R/R *10 -4 Mohanty et Webb (PRL 97)

17 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Temps de cohérence et effet Kondo T (mK) (ns) (n cm) TKTK Nouveau régime Saturation à basse température Maximum de résistivité Les variations de (T) et de (T) sont correlées

18 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Transition vitreuse Au/Fe Cu/Mn Le maximum de résistivité signe une transition vitreuse Résistivité Laborde (1971) Frossati et al. (Physica B 76) Susceptibilité

19 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Extraction du temps de diffusion de spin 1/ non-magnétique Théorie standard (AAK) T (mK) 1 / (ns -1 ) 1/ spin-scattering

20 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Temps de diffusion de spin et transition vitreuse 15 ppm 1/ s (ns -1 ) (n cm) T (mK) TKTK Temps de diffusion de spin constant Apparition des interactions RKKY Limite unitaire Haesendonck et al. (PRL 87)

21 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Limite basse température ? Peters et al. (PRL 88) 1 / spin (ns -1 ) T (mK) T 1/2 T 2 Bergmann et al. (PRB 89) Film 2D T 1/2 60 ppm 15 ppm T 2 F. Schopfer et al., Phys. Rev. Lett. (2003) Limite unitaire ? Transport dans un verre ? Cohérence à température nulle ? Transport à basse température dominé par les interactions RKKY

22 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Projets Déphasage, boîtes quantiques et effet Kondo Interférences quantiques Collaborations : G. Eska, D. Feinberg, M. Lavagna, D. Mailly, P. Simon, A. Wieck Collaborations : B. Douçot, D. Mailly, G. Montambaux, C. Texier, J. Vidal Contrats ACI, STREP, IPMC, Procope

23 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Déphasage et effet Kondo Dopage par implantation : Variation de la concentration Différentes impuretés Variation de lécrantage Projet européen « Ultra 1D » D. Mailly, A. Wieck Validité de Nagaoka-Suhl ? Description de la désaturation ? Transition vitreuse ?

24 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre R (4.2K) = 24 Localisation faible Oscillations AAS h/2e périodiques Interférences quantiques B (G) R - R enveloppe h/2e h/e FFT amplitude (10 -5 /G -1/2 ) B (G -1 ) F. Schopfer et al., condmat/ (2004) Vidal et al. (PRB 00) Naud et al. (PRL 01)

25 Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre Conclusion 1/ s (ns -1 ) (n cm) T (mK) Magnétisme orbital de conducteurs macroscopiques Décohérence, effet Kondo et verres de spins Limite unitaire ? Transport dans un verre ? Cohérence à température nulle ? Cages dAharonov-Bohm ? Mesure du temps de cohérence ? Effet de taille finie ? S. Bonifacie, B. Caillarec, F. Mallet, S. Moraillon, J. Navarro, W. Rabaud, F. Schopfer B. Douçot, G. Eska, D. Feinberg, M. Lavagna, D. Mailly, P. Simon, C. Texier, J. Vidal, A. Wieck C. Bäuerle, A. Benoît, K. Hasselbach


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