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Les interactions électroniques font du bruit


Comment mettre en évidence les phénomènes microscopiques créés par les interactions entre électrons dans le courant électrique ? Pour cela il faut les écouter. Le bruit généré dans le courant par les interactions entre électrons nous a permis de démontrer l’apparition de paires d’électrons à contrecourant.

Alors que les interactions électroniques sont généralement négligeables dans les métaux tridimensionnels, elles se voient renforcées lorsque quelques électrons se retrouvent confinés dans une boite quantique, par exemple un nanotube de carbone. Une manifestation des interactions électroniques est l’effet Kondo, qui consiste dans l’écrantage d’une impureté magnétique par les spins des électrons de conduction dans un métal à suffisamment basse température. Le même effet existe pour une boite quantique couplée à des électrodes métalliques : le spin électronique de la boite est écranté par ceux des électrons des électrodes métalliques, formant un état singulet de spin nul (Fig. 1A). Toutes les propriétés du système sont alors décrites par une seule grandeur caractéristique, la température Kondo TK, énergie de liaison du singulet.

Grâce à une collaboration entre le LPS et l’université d’Osaka, nous avons mesuré le bruit de grenaille, c’est-à-dire les fluctuations temporelles du courant rétrodiffusé dues aux variations du nombre de charges réfléchies par la boite. Cette technique permet d’extraire la charge des particules transportant le courant. L’expérience a été réalisée dans un nanotube de carbone couplé à des électrodes métalliques. Une électrode de grille permet, quant à elle de modifier le potentiel de confinement. Les fluctuations sont extraites avec une grande précision de l’amplitude de la résonance d’un circuit LC placé en parallèle (Fig. 1B).

Nous avons ainsi démontré que l’état Kondo se manifeste par deux aspects. A faible courant, cet état délocalise les électrons entre la boite et les électrodes, transmettant parfaitement le courant sans aucune réflexion. La boite est donc totalement silencieuse comme le montre la Fig. 1C où le bruit de grenaille présente un plateau à bas courant.

A) Schéma représentant l’étendue de l’état Kondo entre la boite quantique et les électrodes. Lors du passage d’un courant, une paire d’électron peut être rétrodiffusée à cause de l’interaction (serpentin jaune). B) Montage expérimental : le nanotube est couplé à un circuit résonant LC de fréquence de résonance 2.58 MHz pour mesurer le bruit de courant. La distance entre les électrodes est de 400 nm. C) Conductance G (bleu) et bruit Si (rouge) en fonction du courant. A courant nul, la pente de la courbe Si(Isd) est nulle, signature d’une absence de rétrodiffusion. Si augmente non linéairement à fort courant (hors équilibre). D) La charge effective est la pente de Si en fonction du courant rétrodiffusé IK. Ces valeurs e*>1 démontrent la présence de paires rétrodiffusées. La probabilité de produire une paire ne dépend que de la symétrie de l’état Kondo SU(2) ou SU(4). Ces deux symétries sont obtenues pour deux tensions de grille différentes.

A fort courant, le bruit augmente fortement et non-linéairement (Fig. 1C). La transmission n’est donc plus parfaite comme nous le confirme la conductance qui décroit. Cependant, seule l’amplitude du bruit non-linéaire (Fig.1D) permet de mesurer la charge effective des porteurs de charge réfléchis. La valeur de la charge effective déterminée, e*=5/3 ±5%, est en parfait accord avec la théorie et démontre la présence de paires d’électrons rétrodiffusées. De plus, nous avons prouvé que cette valeur 5/3 est universelle, valable pour tout système Kondo de spin 1/2 quelle que soit TK.

Enfin, la structure de bande particulière du nanotube qui comporte une vallée doublement dégénérée confère un degré de liberté supplémentaire aux électrons, qui modifie la charge effective d’après la théorie. Ainsi pour certaines tensions de grille, les états électroniques sont dégénérés quatre fois, conduisant à une autre symétrie de l’effet Kondo (SU(4) au lieu de SU(2)). Nous avons montré que la charge effective décroit alors vers la valeur 3/2 en accord avec les prédictions théoriques (Fig. 1D).

Cette mesure de e* permet de déterminer la symétrie du fondamental et l’amplitude des interactions électroniques renormalisées dans l’état Kondo. Plus généralement, ce résultat confirme expérimentalement l’extension hors équilibre de la théorie des liquides de Fermi, qui décrit un gaz de fermions (tels que les électrons dans un métal) en présence d’interactions.

Référence

Universality of non-equilibrium fluctuations in strongly correlated quantum liquids
Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Tokuro Hata, Ryo Fujiwara, Raphaëlle Delagrange, Raphaël Weil, Richard Deblock, Rui Sakano, Akira Oguri & Kensuke Kobayashi
Nature Physics 12, 230–235 (2016)
doi:10.1038/nphys3556

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