Investigations thermodynamiques des systèmes mésoscopiques en deux dimensions – THERMES-2D

La méthode de mesure adoptée, basée sur la calorimétrie AC (méthode 2ω), est particulièrement adaptée aux systèmes mésoscopiques à très basse température. Elle offre une grande sensibilité et permet de s’affranchir de certaines limitations des approches plus classiques, telles que les méthodes par relaxation ou adiabatique. Le travail repose sur plusieurs développements instrumentaux. Il comprend la fabrication de thermomètres ultra-sensibles à base de nitrure de niobium en film mince, optimisés pour avoir une faible résistivité, une haute sensibilité thermique et une compatibilité avec l’environnement micrométrique du système. Leur comportement thermique et magnétorésistif a été étudié en détail pour permettre leur calibration et leur bon fonctionnement dans des conditions extrêmes (T ~ 70 mK et jusqu’à B = 35 T). Cette étude a permis d’identifier les lois physiques qui gouvernent la magnétoresistance des isolants de Mott, ouvrant des perspectives pour la thermométrie en champ magnétique et à basse température. Un effort important a également été consacré à la fabrication des échantillons comprenant la réalisation de membranes de gaz 2D mécaniquement suspendues servant de plateformes calorimétriques. Ces échantillons sont basés sur des hétérostructures GaAs/AlGaAs développées par épitaxie par jet moléculaire (MBE). Ils intègrent un 2DEG et une couche sacrificielle AlGaAs d'une épaisseur de quelques micromètres à forte concentration d'Al. En gravant cette couche de manière sélective, il a été possible de suspendre la membrane 2DEG obtenue sans une dégradation de la mobilité des porteurs du 2DEG. Ce travail a permis de démontrer la conservation de la qualité du gaz 2D après suspension et de limiter les fuites thermiques pour réduire la fréquence du plateau adiabatique nécessaire à la mesure de chaleur spécifique.

Un dispositif expérimental complet a été conçu pour mettre en œuvre ces mesures. Il intègre des chaînes de mesure électrique et thermique, une architecture cryogénique adaptée, et une compatibilité avec les champs magnétiques intenses. Il permet d’atteindre les conditions extrêmes requises pour optimiser l’étude des gaz 2D en régime Hall quantique. Ce bon fonctionnement a été validé expérimentalement, notamment par la thermalisation jusqu’à 14 mK de fils de gaz 2D de dimensions inférieures à celles des membranes.Un protocole de recherche et d’optimisation du signal thermique a été mis en place sur les échantillons, suivi d’un balayage en fréquence permettant d’identifier les régimes adiabatiques de chacun. Ce protocole a également permis de quantifier les fuites thermiques des membranes. Des signatures expérimentales du plateau adiabatique ont été observées sur certains échantillons, validant ainsi la pertinence de l’approche et la capacité du dispositif à atteindre le régime visé dans les conditions expérimentales définies. Ces résultats ont conduit à la définition de paramètres expérimentaux optimaux et de critères de fabrication précis, nécessaires à l’obtention de mesures fiables.Ces travaux constituent une avancée significative dans le développement de techniques thermodynamiques adaptées à l’étude des systèmes électroniques quantiques à basse température, et ouvrent la voie à l’exploration expérimentale directe des transitions de phase dans les 2DEG en régime quantique.

Au-delà des premiers résultats expérimentaux obtenus, l’ensemble du travail constitue une avancée significative dans le développement d’une plateforme de mesure calorimétrique adaptée aux systèmes électroniques nanométriques. Il donne les bases pour l’exploration future de phénomènes thermodynamiques subtils dans les gaz 2D, tels que les transitions de phase en régime Hall quantique, et plus largement, ouvre la voie à l’étude de nouveaux états quantiques de la matière dans des systèmes bidimensionnels nano et microscopiques. Le comportement sous champ magnétique a été étudié pour une fréquence de 65 kHz, afin d’approcher le régime quasi-adiabatique tout en limitant les couplages capacitifs. Bien que les mesures effectuées n’aient pas permis de statuer sur la présence ou non de structures oscillantes dans la capacité calorifique en fonction du champ magnétique, elles représentent une avancée significative pour la mise en œuvre de l’expérience. Ces résultats mettent en lumière la complexité de ces travaux et les pistes d’amélioration à envisager pour les prochaines mesures nécessaires à l’étude : réduction des signaux parasites, réalisation de moyennes sur un grand nombre de balayages, extension des mesures à des températures plus basses, et optimisation des conditions de suspension des membranes. Ce travail constitue également une base solide pour l’optimisation de la thermométrie exploitant les propriétés des isolants de Mott-Anderson à basse température et sous champ magnétique, ouvrant ainsi des perspectives pour le développement d’autres dispositifs de mesure adaptés aux conditions expérimentales extrêmes.

Les études sur le transport électronique dans les gaz d'électrons bidimensionnels GaAs/AlGaAs (2DEG) ont permis de faire de grands progrès dans notre compréhension de la physique mésoscopique à forte corrélation. En particulier, l'exploration du régime quantique de Hall (QHR) s'est révélée très productive, avec une physique riche sur les corrélations électroniques, ainsi que la possibilité d'utiliser le transport chiral dans des canaux unidimensionnels. En revanche, ce n’est que récemment que des expériences ont montré l’importance des études thermodynamiques sur les systèmes mésoscopiques de faible dimension. Avec le projet THERMES-2D, nous souhaitons développer de nouveaux outils thermodynamiques pour l’étude expérimentale de systèmes mésoscopiques à base de 2DEG. Nous nous concentrerons sur la chaleur spécifique cp, propriété globale avec des contributions de tous les degrés de liberté d’un système thermodynamique donné. La contribution des électrons à cp est une sonde sensible aux transitions de phase quantiques, à l'excès d'entropie, à la densité d'états électroniques et à la masse effective électronique. Dans le cadre de ce projet, nous rechercherons une meilleure compréhension de la physique corrélée dans le QHR fractionnaire et entier.
Le consortium THERMES-2D présente une synergie indispensable à ce but : l'expertise de pointe mondiale en matière de mesure de la chaleur de haute sensibilité de l'équipe NEEL, la capacité de l'équipe C2N à fournir les membranes 2DEG nécessaires et l’expertise de l’équipe du LNCMI en matière de mesure dans le régime quantique de Hall à basses températures et à champs magnétiques élevés. Le concept consiste à étudier les 2DEG sur des membranes minces inférieures au micromètre en utilisant la technique unique de nanocalométrie développée à NEEL, permettant de mesurer des variations de chaleur spécifiques extrêmement faibles à basse température. Dans de tels échantillons, l'apport thermique spécifique du substrat en GaAs est limité, ce qui permet d'étudier le cp du gaz électronique dilué. La combinaison des compétences des partenaires rend le projet parfaitement adapté à l'exploration de la riche physique 2D à fort champ magnétique.
Les électrons d'un 2DEG se condensent en une séquence de phases quantiques distinctes, ce qui fait de ces systèmes un banc d'essai idéal pour des études thermiques spécifiques de la physique des fortes corrélations. La compétition entre désordre, interaction et / ou état de spin conduit à un certain nombre de phases quantiques à plusieurs corps, telles que des états de Hall quantiques fractionnaires, des cristaux de Wigner et des états ferromagnétiques. Grâce à nos mesures de cp, nous rechercherons des signatures d'excitations collectives de spin (skyrmions), de caractéristiques spécifiques dépendant de la température aux différentes limites de phase et de l'existence de nouvelles transitions de phase entre les états quantiques de Hall. De plus, l'évaluation de l'entropie d'un 2DEG peut fournir des informations physiques importantes. Bien que l'entropie soit une quantité thermodynamique fondamentale, sa valeur absolue ne peut pas être mesurée directement; seuls les changements d'entropie ou de valeurs relatives sont physiquement pertinents. Le moyen idéal pour accéder à cette quantité thermodynamique cruciale consiste à mesurer la variation de chaleur spécifique par rapport à la température. Un excès d'entropie est prédit dans divers états du 2DEG; il peut s'agir de la signature de statistiques non-abéliennes des anyons ou de la criticité quantique lors d'une transition de phase quantique. Il existe également une forte motivation instrumentale dans la poursuite des mesures thermodynamiques sur des 2DEG dans ce projet. Grâce aux exigences de la physique étudiée, nous pousserons encore plus loin cette expertise, en termes d'amélioration des mesures à basse température et à faible bruit, de thermométrie innovante et de réalisation d'échantillons.