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

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.