Transport Quantique dans des nanostructures à fortes corrélations électroniques – QUANTICON

La caractérisation des propriétés de transport électronique de nano-structures est au cœur de nombreux travaux en physique de la matière condensée. Cela est vrai tout particulièrement dans les travaux de recherche fondamentale sur les propriétés quantiques du transport électronique et au travers de nano-objets (points quantiques semi-conducteurs, nanotubes), ou encore dans le domaine de l'électronique et la spintronique moléculaire.

Le thème principal de ce projet consiste en l’étude des propriétés de transport électronique quantique de matériaux présentant de fortes corrélations électroniques dans le régime de fort confinement spatial.

Lorsque l’on réduit la dimension d’une nanoparticule métallique ou semi-conductrice, le confinement des fonctions d’ondes électroniques dans un volume très réduit conduit à un spectre électronique discret. Comme ce spectre peut être étudié avec une très grande précision par spectroscopie tunnel, il devient possible d’analyser la distribution des niveaux électroniques, laquelle peut être ensuite comparée aux théories ou aux simulations numériques. L’étude de boîtes quantiques ou nanoparticules contenant un faible nombre d’électrons est particulièrement intéressante en raison des analogies qui peuvent exister avec d’autres systèmes comme les atomes, les noyaux nucléaires, ou les pièges à atomes froids, lesquels ont permis la définition de plusieurs paradigmes de la physique à N corps en interactions.
Ainsi, la perspective de pouvoir sonder la distribution des excitations électroniques de matériaux à fortes corrélations électroniques dans le régime de confinement quantique offre un moyen unique pour caractériser ces corrélations électroniques.

Les nombreux progrès obtenus dans la synthèse de nanocristaux de formes et de compositions variés nous laissent aujourd’hui envisager la possibilité de pouvoir sonder le spectre discret de nanoparticules présentant de fortes corrélations électroniques.

Ce projet impliquera trois partenaires réunissant les compétences pour réaliser la spectroscopie tunnel de nanocristaux synthétisées par voie chimique. Partenaires 1 et 3 sont localisés au Laboratoire Photons et Matière (LPEM), situé sur le campus de l’ESPCI (Paris) et partenaire 2 est localisé au Laboratoire de Physique des Solides (LPS) à Orsay. Le partenaire 1, coordinateur, est expert en physique des électrons corrélés, il possède toutefois de l’expérience dans la synthèse et de la manipulation des nanocristaux métalliques. Le partenaire 2 est expert en physique mésoscopique, systèmes hybrides, jonctions Josephson. Le partenaire 3 est un groupe de physico-chimistes, expert dans la synthèse et la caractérisation de nanocristaux et de différentes formes et compositions ainsi que dans les échanges de ligands.

Une première partie du projet consistera à étudier la distribution statistique des niveaux électroniques de nanocristaux métalliques (Au) et supraconducteurs (Pb) obtenus par des méthodes de synthèses chimiques. Une seconde partie du projet consistera à étudier les propriétés de transport hors-équilibre de nanocristaux de Mott, i.e. des nanocristaux réalisés à partir de matériaux ayant les caractéristiques d’isolants de Mott, en particulier NiO et VO2. Une troisième partie de projet consistera à mesurer la magnétorésistance tunnel de nanocristaux de spinelles MFe2O4 (M=Co,Ni), afin tester la capacité de ces jonctions à filter le spin. Enfin, la quatrième et dernière partie de projet consistera à caractériser les propriétés de transport perpendiculairement à des films minces de VO2 et MFe2O4 via l’utilisation d’un microscope en champ proche AFM/STM, fonctionnant à basse température et sous champ magnétique.