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Electrons confinés sur film d’Hélium structuré

Electrons confinés sur film d’Hélium structuré

Les électrons peuvent être confinés à la surface de l’Hélium liquide [19]. En effet, la très faible polarisabilité e de l’4He est pourtant suffisante pour créer une charge image + a Q pour chaque charge - Q flottant au-dessus de la surface (comme un "mauvais" miroir, a = 1/4 (e-1)/(e+1) << 1). Il en résulte un potentiel Coulombien V(z) = - a Q2/(4pe0 z) pour z>0, tel qu’à la surface du liquide, la répulsion électrostatique entre les électrons des atomes d’4He et la charge confinée s’apparente à un "mur". En mécanique quantique, il se résout sous la forme d’un spectre de niveaux d’énergie hydrogénoide (ci-dessous)

E (N) = - Re / (N+1) 2Re est appelé énergie de Rydberg (N est le niveau d’énergie, 0 correspondant au fondamental).

e- on Helium

L’état fondamental "flotte" 11 nm au-dessus du liquide, alors que le premier état excité se trouve à 46 nm. L’écart en énergie est de l’ordre de 6 K (126 GHz), ce qui fait qu’au-dessous de 2.17 K (où l’4He devient superfluide sous sa pression de vapeur saturante) tous les électrons sont dans l’état fondamental : les électrons sont confinés à 2D, sur la surface du fluide.

Ces électrons forment à haute température un film fluide presque classique (gaz de Drude de Fermions non dégénérés), et solidifient à basse température pour former un cristal de Wigner, à une température de transition fonction de la densité. Le système est exempt d’impuretés, et le seul couplage s’ajoutant aux interactions électrons-électrons est l’interaction entre les électrons et les atomes d’Hélium de la vapeur à haute température, et les excitations du fluide à basse température, en particulier les excitations de surface, les « ripplons ». A l’heure actuelle, ce système est le système électronique qui possède les plus grandes mobilités (dépassant les 10 000 m2 /Vs).

En ce sens, les électrons confinés sur Hélium forment un système modèle pour l’étude des Fermions (chargés) en interaction à 2 dimensions.

Phase diagram

Cependant, pour une couche électronique homogène, il a été montré que pour une densité supérieure à 2.4 109 cm-2, la surface devient instable du fait de l’amollissement des ripplons ; les électrons transpercent le film d’Hélium (instabilité électrohydrodynamique). En revanche, sur un film d’Hélium mince (de l’ordre de 10 nm), la surface est stabilisée par les forces de Van der Waals. Ce fait est à la base d’un nouvel engouement pour ce système déjà bien connu : l’étude des couches électroniques confinées sur films ultra-minces d’Hélium, afin d’atteindre les fortes densités, et ainsi travailler dans la gamme du fluide quantique (travaux initiés par le groupe de Konstanz, P. Leiderer, et le groupe de Londres, M.J. Lea). Ci-contre, nous montrons le diagramme de phases pour les électrons sur hélium massif, et sur films minces (Peeters [21]).

Diagramme de phases (shématique) des électrons 2D
(Notez l’échelle indicative)

En effet, aux plus fortes densités les électrons doivent exprimer leur nature quantique. Des expériences sur films minces devraient donc permettre de passer du régime de gaz classique d’électrons au régime de gaz de Fermi dégénéré. Aux plus fortes densités (et basses températures), le solide de Wigner doit "fondre" à nouveau sous l’effet de l’énergie de point zéro des électrons. De telles expériences permettraient de rejoindre la physique des semi-conducteurs et des métaux, où les électrons sont toujours dégénérés.

Au-delà du film d’électrons de grande densité, les techniques misent en oeuvre ont très récemment ouvert la voie vers une nouvelle possibilité : le confinement des électrons de surface par un substrat microstructuré sur lequel est tendu un film d’Hélium suspendu. Il est ainsi possible de confiner les électrons à une ou zéro dimensions, de créer des « points quantiques », des « fils quantiques ». A l’heure actuelle, l’équipe de Londres a obtenu les résultats les plus marquants, en confinant des électrons sur 4He au sein d’un micro-canal (P. Glasson et al. [20]). Des phénomènes attendus, comme l’effet FET y ont été étudiés (transistor à effet de champ), mais également des nouveautés assez inattendues, comme à la suite de la cristallisation à quasi-1D, la « fonte par les bords » du canal dans le régime dynamique où les électrons sont sollicités par une force extérieure.

Nous collaborons fortement avec l’équipe de Londres, qui avec l’équipe de Saclay axe ses recherches sur la réalisation de "points quantiques". Les deux équipes ont su réaliser des pièges électrostatiques microfabriqués et ont également pu confiner, de façon contrôlée, de 1 à 20 électrons au-dessus d’un électromètre ultra-sensible, un SET (transistor à un électron) qui sert de détecteur.
L’équipe de Grenoble, quant à elle, cherche à développer une nouvelle activité axée sur les électrons sur films denses, et les électrons à 1D. En effet, à une dimension l’analyse phénoménologique de Landau ne fonctionne plus : le fluide Fermionique est de nature fondamentalement différente. On parle de liquide de Tomonaga-Luttinger. Ses excitations fondamentales ont des propriétés toutes particulières, comme leur charge fractionnaire et le déplacement disjoint de la charge et du spin (le moment cinétique intrinsèque de la quasi-particule "électronique").

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