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Visualisation par microscopie à sonde locale d’interférences électroniques dans des anneaux quantiques

L’étude de nanostructures cohérentes représente un secteur avancé de la recherche sur les semi-conducteurs, avec des implications allant d’aspects fondamentaux de la physique du solide aux futures applications dans le domaine de la nanoélectronique. Traditionnellement, les phénomènes de transport électronique sont analysés en termes de grandeurs macroscopiques (typiquement, la conductance totale). En collaboration avec l’Université Catholique de Louvain-la-Neuve (Belgique) et l’IEMN à Lille, l’équipe « Champ Proche » a développé une microscopie à sonde locale permettant d’imager dans l’espace réel les propriétés de transport de nanostructures quantiques.

En ajoutant la dimension « locale » aux mesures traditionnelles, cette méthode (appelée SGM comme « Scanning Gate Microscopy ») apporte un éclairage nouveau sur le transport électronique à travers ces nanostructures. Elle devrait ouvrir de nouvelles perspectives dans l’analyse et la conception de nano-composants électroniques basés sur le transport quantique des porteurs de charge.
Cette microscopie utilise la pointe d’un microscope AFM polarisée électriquement comme centre diffuseur qui modifie localement les propriétés du flux électronique à travers la nanostructure, ou comme une grille locale pouvant être mue à n’importe quelle position au dessus de la structure. Le microscope, développé au laboratoire, fonctionne à basse température et sous champ magnétique afin de mettre en évidence des effets cohérents qui apparaissent lorsque les dimensions caractéristiques des structures étudiées sont inférieures à la longueur de cohérence de phase des porteurs.

Aharonov-Bohm ring
Fig. 1 : image topographique d’un anneau quantique par microscopie à force atomique.

Les structures étudiées (Fig. 1) sont des interféromètres électroniques ayant la forme d’anneaux « Aharonov-Bohm » (AB) fabriqués par lithographie électronique à partir d’un gaz électronique bidimensionnel enterré à 25 nm de profondeur (trop grande pour être accessible à la microscopie tunnel) et confiné à l’interface d’une hétérostructure semi-conductrice à base de GaInAs.

La tension appliquée sur la pointe AFM induit une perturbation locale du potentiel vu par les électrons dont elle modifie la transmission au travers de l’anneau. Ceci permet de produire des images 2D de ces variations de conductance en fonction de la position de la pointe (Fig. 2). Sur ces images, on peut clairement distinguer des variations de conductance ayant la symétrie spatiale de l’anneau : ces oscillations sont concentriques à l’extérieur de l’anneau et radiales à l’intérieur. L’étude de ces oscillations en fonction notamment du champ magnétique appliqué indique que les oscillations concentriques en dehors de l’anneau construisent une image dans l’espace réel de phénomènes d’interférences électroniques de type AB qui sont induits dans le système cohérent par la perturbation due à la pointe sonde. Ces oscillations résultent d’une combinaison des effets AB électrostatiques (la pointe modifie électriquement la phase accumulée par les électrons se propageant dans chaque bras de l’anneau et, donc, le déphasage entre les deux types de trajectoires) et AB magnétique dans lequel le flux magnétique capté par l’anneau ajoute un déphasage périodique avec le champ magnétique. L’analyse des franges radiales observées lorsque la pointe balaie la structure au-dessus de l’anneau révèle la nature cohérente de ces franges à basse température. A terme, la méthode SGM combinée à des simulations réalistes, pourrait donc constituer un outil de diagnostic électronique puissant de nano-composants cohérents exploitant la phase électronique comme vecteur d’information.

Image de la conductance par grille locale
Fig. 2 : image filtrée de la variation de la conductance prise en fonction de la position de la pointe AFM polarisée électriquement. La température est de 4.2 K et le champ magnétique de 2 T.
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