Signatures thermiques de cohérence de phase quantique – Quantherm

Dans ce projet, nous souhaitons apporter des informations nouvelles sur les phénomènes de cohérence de phase quantique à très basse température par des mesures de chaleur spécifique de très haute résolution sur des anneaux métalliques mésoscopiques (submicroniques). Dans de tels anneaux, des mesures d'aimantation ont mis en évidence l'existence de courants permanents. Leur amplitude est mal comprise : plusieurs théories sont en compétition pour décrire ce phénomène, mais aucune pour l'instant ne rend compte des données de manière convaincante. A basse température, lorsque les longueurs de cohérence deviennent de l'ordre de grandeur du périmètre d'un anneau, des courants spontanés se mettent à circuler et, si les anneaux sont connectés à des fils de mesure, des effets d'interférence de type Aharonov-Bohm peuvent être observés par application d'un champ magnétique. Malgré plusieurs expériences réalisées depuis les années 1990 de nombreuses contradictions existent entre la théorie initiale d'Ambegaokar et Eckern prédisant des courants permanents à l'équilibre et les résultats expérimentaux. En utilisant une technique expérimentale alternative, notre ambition est d'apporter des informations complémentaires aux mesures de magnétisme et de transport électrique. L'innovation dans ces expériences est d'accéder aux modifications de grandeurs thermiques par la cohérence de phase électronique. Nous attendons donc que ces résultats expérimentaux nouveaux par des mesures de calorimétrie permettent de faire une discrimination entre les différents modèles proposés aujourd'hui. Les modèles théoriques proposés ne se basant pas sur les mêmes hypothèses thermodynamiques pour les électrons à basse température, une différence substantielle dans les signaux thermiques est attendue, ce qui n'a jamais été étudié jusqu'à maintenant. Les enjeux portent non seulement sur la compréhension de l'origine physique de l'apparition de courants permanents diamagnétiques à très basse température, mais aussi sur la mise au point d'un capteur d'une sensibilité inégalée que requièrent ces expériences. En effet, les mesures de chaleur spécifique sur des anneaux métalliques et sur des semiconducterus (III-V) que nous envisageons nécessitent une très haute résolution dans la mesure de très petites quantités d'énergie: les signaux thermiques attendus sont très ténus et leur mesure relève d'un réel défi expérimental à très basses températures. Nous souhaitons obtenir une sensibilité en énergie jusqu'ici jamais atteinte dans des mesures de calorimétrie (de l'ordre de la dizaine de zeptoJoule (10-21 J)), sachant que nous avons l'expertise nécessaire pour y arriver, en combinant les compétences des partenaires du projet : l'équipe Thermodynamique des Petits Systèmes de l'Institut Néel est actuellement leader mondial dans les mesures fines de chaleur spécifique sur films minces à basse température et par conséquent la mieux à même de réaliser ces expériences: l'équipe du CEA-Saclay a la maîtrise du dépôt de couches minces métalliques dans lesquelles la cohérence de phase électronique est très grande ; le LPN a l'expertise des gaz bidimensionel d'électrons dans des hétérostructures GaAs/AlGaAs ;enfin le l'équipe GIPSA-lab/DIS saura optimiser le traitement du signal pour améliorer l'outil expérimental. L'interprétation des résultats relèvera d'un travail collectif à travers l'expertise en physique du solide de chaque partenaire (CEA, LPN et Institut Néel). Ainsi, ce projet, dont l'objectif scientifique immédiat est de contribuer par des mesures d'un type nouveau à la compréhension fondamentale de phénomènes de physique mésoscopique, se double d'un objectif technique, le développement d'un capteur en énergie très sensible, qui permettra à l'avenir d'autres types d'expériences. Ce projet de recherche fondamentale se trouve donc à l'intersection de domaines très différents de la physique (traitement du signal, calorimétrie haute résolution et physique quantique mésoscopique) ce