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Microscopie à balayage à effet tunnel et à bruit de grenaille


Les interactions entre électrons sont à l’origine des propriétés remarquables des matériaux quantiques, y compris la supraconductivité à haute température. Étant donné que ces interactions se déroulent généralement sur de courtes périodes de temps, la mesure des propriétés moyennes en temps ne donne pas accès à des informations cruciales. Afin d’accéder à la dynamique des électrons, des chercheurs du LPS et du LPN (Marcoussis) ont développé un microscope à effet tunnel qui permet de mesurer au même temps le courant moyen et ses fluctuations avec une précision spatiale à l’échelle atomique.

Microscopie à balayage à effet tunnel. (a) Microscope de fabrication interne avec circuit intégré permettant (b) de mesurer le bruit de de grenaille à basse température, (c) la température des électrons et (d) la conductance différentielle à 1 MHz.

Les microscopes à effet tunnel à balayage conventionnels peuvent résoudre la structure atomique et électronique des matériaux conducteurs en mesurant le courant tunnel à basse fréquence entre une pointe et un échantillon. Le principal défi pour la mesure des fluctuations du courant, qui contient des informations sur la dynamique des électrons, dans un microscope à effet tunnel est que les capacités des câbles deviennent des courts-circuits par rapport à la terre et/ou convertissent le bruit de tension des amplificateurs à température ambiante en bruit de courant. Pour surmonter cette limitation, chercheurs au LPS ont conçu un circuit LC-résonant basse température couplé à un transistor cryogénique à haute mobilité développé par chercheurs au LPN-Marcoussis, et l’ont intégré au microscope à effet tunnel entièrement conçu et fabriqué au LPS. Cela permet de mesurer des fluctuations du courant, également appelés de bruit de grenaille, avec une grande précision à la fréquence de résonance du circuit LC, que a été choisi à 1 MHz. En plus de sonder la dynamique et les interactions des électrons, les mesures du bruit peuvent déterminer directement la température des électrons, et les circuits peuvent être utilisés pour effectuer des mesures du courant moyen avec un rapport signal/bruit accru. Puisque le courant lui-même est résolu à l’échelle atomique dans le microscope à effet tunnel, le bruit de grenaille l’est aussi, ce qui donne un aperçu unique des corrélations et de la dynamique à l’échelle atomique.

Référence

Atomic scale shot-noise using cryogenic MHz circuitry
F. Massee, Q. Dong, A. Cavanna, Y. Jin and M. Aprili
Review of Scientific Instruments 89, 093708 (2018)
doi:10.1063/1.5043261

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Freek Massee