HAL Id: tel-01291257
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Submitted on 21 Mar 2016
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quantique dans des anneaux mésoscopiques
Germain Souche
To cite this version:
Germain Souche. Signature calorimétrique de cohérence de phase quantique dans des anneaux méso- scopiques. Matière Condensée [cond-mat]. Université de Grenoble, 2011. Français. �tel-01291257�
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Physique de la matière condensée et du rayonnement
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
Germain SOUCHE
Thèse dirigée par Olivier BOURGEOIS
préparée au sein de l’ Institut Néel, CNRS/UJF - GRENOBLE et de l’Ecole doctorale de physique de Grenoble
SIGNATURE CALORIMETRIQUE DE COHERENCE DE PHASE QUANTIQUE DANS DES ANNEAUX MESOSCOPIQUES
Thèse soutenue publiquement le 22 septembre 2011, devant le jury composé de :
Mr, Laurent SAMINADAYAR
Professeur, Institut Néel, CNRS, Président
Mr, Richard DEBLOCK
CR1, Laboratoire de Physique des Solides, CNRS-Université Paris-sud 11, Rapporteur
Mr, Ulf GENNSER
DR2, Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, CNRS, Rapporteur
Mr, Hugues POTHIER
Ingénieur-chercheur, Groupe quantronics, Service de Physique de l’Etat Condensé, CEA, Examinateur
Mr, Philippe GANDIT
DR2, Institut Néel, CNRS, Examinateur
Mr, Olivier BOURGEOIS
CR1, Institut Néel, CNRS, Directeur de thèse
Mr, Jérôme MARS
Professeur, GIPSA-Lab, Grenoble INP, Invité
Table des matières
Table des matières iii
Table des gures vi
Introdution 1
1 Les ourants permanents 3
1.1 Introdution auxourants permanents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Préditions des ourants permanents . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Bases théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Lesdiérentsmodèles théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.1 Ambegaokaret Ekern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.2 Kravtsov et Altshuler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.3 Bary-Soroker, Entin-WohlmanetImry . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3 Résultatsexpérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.1 Mesures par SQUID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.2 Mesures par résonateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.3 Mesures par antilever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4 Signature des ourants permanents en haleur spéique . . . . . . . . . . 31
1.4.1 Lahaleurspéique etle modèlede Ambegaokaret Ekern . . . . 31
1.4.2 Lahaleurspéique etle modèlede Kravtsov et Altshuler . . . . . 33
1.4.3 Lahaleurspéique etle modèlede Bary-Sorokeret al. . . . . . . 33
1.5 Ordrede grandeur attendu pour Cp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2 La alorimétrie a 37 2.1 Lahaleurspéique CP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 Mesure de haleur spéique sur des objets mésosopiques . . . . . . . . . 39
2.2.1 Cadre théorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2 Nanoalorimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.3 Capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3 Mesure de alorimétrie aà très basse température . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.1 Lahaîne de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Résultats expérimentaux 53
3.1 Travail àtrès basse température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1 Températureréelle sur la membrane. . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.2 Eet de hauage sous hamp magnétique . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1.3 Bruitde mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2 Protoole expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.1 Lesobjets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.2 Périodiité en haleurspéique attendue. . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.3 Mesures sous hamp magnétique, protoole d'aquisition . . . . . . 61
3.2.4 Magnétorésistane du thermomètre de lamembrane . . . . . . . . . 63
3.2.5 Eet de latempérature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 Traitement du signal 65 4.1 Fontionsutilisées. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 Suppressionde latendane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3 Analyse des signaux mesurés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Traitementdu module du signal, sensibilitéde la mesure . . . . . . . . . . 71
4.5 Traitementde laphase du signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.6 Premières onlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5 Etude d'un réseau hexagonal supraonduteur 79 5.1 Frustration magnétique dans un réseau hexagonal . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 Protoole expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.1 Ehantillonétudié. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.2 Installationexpérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.3 Périodiité en haleurspéique attendue. . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3 Résultatsexpérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.1 Transitionnormal-supraonduteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.2 Mesure du module et de la phasesous hamp magnétique . . . . . . 85
5.3.3 Inuene de latempératuresur lesosillationsobservées . . . . . . 86
5.3.4 Inuene du temps d'intégration sur lesosillationsobservées . . . . 88
5.3.5 Inuene du pas en hamp sur lesosillationsobservées . . . . . . . 89
5.4 Traitementdu signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4.1 Protoole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.5 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Conlusion 96
A Tableau réapitulatif sur les ourants permanents 99
B Ehantillons mesurés 101
Bibliographie 102
Table des gures
1.1 Anneau de périmètreL traversé par un uxφ. . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Enpointillé :spetre d'énergie d'un anneau 1D sans désordre.
Enontinu :spetre d'énergie d'un anneau1D ave désordre. . . . . . . . . 6
1.3 Périodiité du ourant en fontion du ux magnétique et de la parité du
nombre d'életrons. a)Cas de N impair b)Cas de N pair )Moyenne des
deux as. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Spetre d'énergie d'un anneau3D en présene de désordre. . . . . . . . . . 10
1.5 Eet du taux d'impureté sur la température de transition et l'amplitude
des ourants permanents.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.6 Dépendane en hamp de la seonde et troisième harmonique de l'aiman-
tationdu système. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7 Diérentes étapesde traitement du signal brut mesurépour un anneaude
1,4µm,6µm de dimensions. a)Signal brut à la fréquene f (les èhes in-
diquentlesmaximumsdusignalpériodique)b)Signala)dontlebakground
aétésoustrait)Signalàlafréquene2f (sansbakground)d)Densitéspe-
trale du signal b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.8 TransforméedeFourierdelarésistanedel'anneau.Lespointsnoirsorres-
pondent ausignal expérimentalet lespoints blansau bruit de l'expériene. 25
1.9 Transformée de Fourier du ourant permanent. Les points noirs orres-
pondent ausignal expérimentalet lespoints blansau bruit de l'expériene. 25
1.10 Dépendane en température de l'amplitude des ourants permanents tra-
versant lesanneaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.11 Image MEB du système expérimental(résonateur et anneaux). . . . . . . . 27
1.12 (a)ImageMEBde lapartieindutivedurésonateuravelesanneauxd'Ar-
gent, (b) Image MEB d'un des anneaux, () Shéma du résonateur ave la
partieapaitiveà gauhe etla partie indutive àdroite. . . . . . . . . . . 27
1.13 (A) Shéma du antilever utilisé, (B) et (C) Images MEB des antilevers
etdes anneauxdéposés à leurs extrémités. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.14 Signalobtenupour un ensemble de 1680 anneaux de 308nm de diamètre. . 29
1.15 Traitement du signal obtenu pour une assemblée d'anneaux de 308nm de
diamètre à365mK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.16 Traitementdu signalobtenupourun anneauunique de418nmdediamètre
à365mK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.17 Variation de la haleur spéique en fontion du hamp magnétique et de
t=T /T0 (àgauhe) et de la température (àdroite). . . . . . . . . . . . . . 32
1.18 Variation de C(φ)−C(0) en fontion de la température pour diérentes
valeurs de s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1 Shéma du prinipe de la apaité alorique. . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 K représente la fuitethermique de la membrane vers le bain thermique. . . 40
2.3 Prol de températurede lamembrane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4 Shéma du apteur thermique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 Image MEB de lamembranedu apteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6 Shéma de la membrane aminieen faearrière. . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.7 Variation de la résistane du thermomètre en fontion de la température. . 46
2.8 Sensibilté α aluléen fontion de la température. . . . . . . . . . . . . . . 46
2.9 Image MEB d'un anneau de 600nm de diamètre. . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.10 Image MEB d'un hamp d'anneau lithographiésur la membrane.. . . . . . 46
2.11 Photographiedu porte éhatillon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.12 Shéma de prinipe de la haîne de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.13 Déalage en phase de la haîne de mesure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.14 Traé delatension Vth auxbornes du thermomètreen fontion du ourant Ith qui letraverse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.15 Traé de ωδTac en fontion de lafréquene ω de l'alimentationdu hauage. 51 2.16 Histogramme de répartition du bruit du signal par rapport à sa valeur moyenne.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1 Variationde lahaleurspéiqueenfontiondelatempératurederégulation. 54 3.2 Rapport entre la températureréelle sur la membrane et la température T de régulationdu ryostat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3 Ratio ρ (lignes ontinues) et rapport entre δT dc2 et δT dc1 (lignes poin- tillées)en fontion de β pour ωτ1 = 5 (en rouge) etωτ1 = 10 (en bleu). . . 56
3.4 Variation de la haleur spéique en fontion de la température pour un apteur présentant des bras de suspensionde 200µm. . . . . . . . . . . . . 57
3.5 Variation de la température de régulation au ours du temps lors de la variationen hamp magnétique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.6 Zoomsur la variationde température auours du 29Juin 2008. . . . . . . 58
3.7 Mesure de bruit à T=75mK etT=5.34K. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.8 Fontiond'interorrélationentrelemoduleetlaphasedusignalàT=75mK etT=5.35K. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.9 Cirulationspossiblesdes ourantsdans un anneau. . . . . . . . . . . . . . 61
3.10 Variation de la haleur spéique en fontion du hamp magnétique. . . . . 62
3.11 Variation de la résistane du NbN en fontiondu hamp magnétique. . . . 63
4.1 Chaînede traitement des signaux étudiés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 Densité spetrale appliquéeà une ourbe C(H). . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3 Densitéspetraleappliquéeàune ourbeC(H)(enbleu) etàsarégression polynomialede degré3 (en rouge). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4 Densité spetrale appliquéeà une ourbe C′(H) =C(H)−f it[C(H)]. . . . 68
4.5 Densité spetrale appliquéeà une ourbe C′(H) =C(H)−emd[C(H)]. . . 69
