Extension du nuage Kondo autour des boites qantiques – KONEX

Nanofabrication
Microscopie à grille locale
Transport électronique à très basse température

Données en cours d'analyse

Microscopie à grille locale

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L'effet Kondo dans les boites quantiques est un effet d'interaction qui apparaît à basse température et décrit l'écrantage d'un spin de la boite par les électrons de conduction des réservoirs. Le projet s'intéresse à l'extension spatiale du nuage d'écrantage autour de la boite, qui reste largement inexploré expérimentalement. D'après la théorie, ce nuage Kondo s'étend sur plusieurs microns dans les réservoirs et possède un fort degré d'intrication quantique. Nous proposons d'explorer ces propriétés en combinant des mesures de transport et de microscopie à grille locale à très basse température sur des dispositifs contenant une ou deux boites quantiques couplées à différents réservoirs. Les résultats attendus sont la première mesure de l'extension du nuage Kondo et la démonstration de son intrication de spin.

Le projet implique quatre partenaires avec des expertises reconnues et complémentaires en :
- croissance par épitaxie d'hétérostructures GaAs/AlGaAs et en nanofabrication
(Dominique Mailly et Ulf Gennser au C2N),
- électronique quantique à très basse température et haute fréquence
(Louis Jansen et Marc Sanquer à PHELIQS),
- microscopie à grille locale dans les dispositifs quantiques semiconducteurs
(Hermann Sellier à NEEL, et Benoit Hackens à l'IMCN en Belgique).

Le premier objectif est de mesurer l'extension du nuage Kondo autour d'une boite quantique par des études dans l'espace réel. Cette mesure utilisera la technique de microscopie à grille locale pour contrôler la longueur du réservoir électronique qui produit l'écrantage Kondo grâce à une électrode de grille mobile. La mesure de la longueur Kondo sera déduite de l'évolution de la résonance Kondo avec la longueur du réservoir, dont la densité d'états sera modulée par des effets de taille finie. L'interférométrie à grille locale sera également utilisée pour sonder l'évolution en distance de la phase de transmission des électrons au travers de la boite quantique, qui a une signature caractéristique dans le régime Kondo.

Le second objectif est de démontrer l'existence d'un couplage induit par l'effet Kondo entre deux boites quantiques séparées par un réservoir commun et placées en régime Kondo. Pour une température Kondo typique de 300 mK, la longueur Kondo attendue est d'environ 5 µm, ce qui est très grand comparé à la taille de chaque boite quantique. L'interaction mutuelle entre les résonances Kondo des deux boites sera étudiée par des mesures de transport, en utilisant des contacts source et drain sur chaque boite. Le recouvrement des deux nuages Kondo devrait provoquer un effet Kondo global sensible au spin des deux boites. Le contrôle du poids relatif entre l'interaction RKKY et l'effet Kondo sera central dans cette étude.

Le troisième objectif est de mettre en évidence expérimentalement les propriétés d'intrication du nuage Kondo. La méthode sera de mesurer les corrélations qu'un nuage Kondo commun devrait imprimer sur les spins de deux boites quantiques séparées mais connectées au même réservoir. Des mesures rapides sur des événements uniques seront réalisées pour déterminer simultanément l'état de spin des deux boites initialement couplées par effet Kondo juste après la suppression rapide de cette interaction Kondo. Cette expérience utilisera des détecteurs de charge rapides et l'effet de blocage de spin par exclusion de Pauli dans les systèmes à double boite. L'observation de corrélations non nulles sera une signature de la nature intriquée du nuage Kondo.

KONEX est un projet de recherche fondamentale en matière condensée, correspondant au comité d'évaluation CES 30 (section 10, axe 2) de l'appel à projet ANR. Il porte sur les questions générales de l'existence, de l'extension, et de l'intrication quantique du nuage Kondo. Son impact ira au-delà du domaine spécifique des boites quantiques, puisque l'effet Kondo joue également un rôle majeur dans le domaine des fermions fortement corrélés.