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Accueil du site > Activités de recherche > Dynamique de Systèmes Mésoscopiques > Bruit quantique haute-fréquence

Mesurer les fluctuations quantiques de courant à haute fréquence en utilisant un circuit résonant.

La mesure des fluctuations de courant, ou bruit, d’un conducteur s’avère être un outil très puissant pour étudier le transport électronique, permettant de révéler la nature des corrélations électroniques ou bien la charge effective des porteurs du courant électrique. Lorsque la fréquence de mesure est du même ordre de grandeur que les échelles d’énergies associées au système telles que la tension V (énergie eV) ou la température T (énergie kbT), les fluctuations de courant acquièrent une dépendance en fréquence montrant des signatures de ces échelles d’énergie caractéristiques. Dans le régime quantique, pour lequel l’énergie associée à la fréquence hf est bien plus grande que l’énergie thermique kbT, le bruit peut être décrit comme un échange de photons d’énergie hf entre le système étudié et le détecteur de bruit. Selon que les photons sont émis ou absorbés par la source, on mesure le bruit en émission ou en absorption. Cette différence entre processus d’émission et d’absorption est bien connue en optique quantique mais difficile à observer dans des circuits électriques.

Figure 1 Figure 1 : (a) Conductance différentielle dI/dV de la jonction détectrice de bruit. Les pics correspondant au bruit en émission ou en absorption du circuit résonant sont figurés par des flèches. Les courbes sont décalées verticalement pour plus de clarté. (b) Dépendance en température du bruit du circuit résonant à 28.4GHz en émission et en absorption. Le bruit est extrait de l’amplitude des pics mentionnés sur la figure (a). Les lignes pleines correspondent aux prédictions théoriques. En dessous de 0.4K, seul le bruit en absorption est présent. Les courbes continues correspondent aux prédictions théoriques décrivant le bruit à l’équilibre thermique d’une résistance dans le régime quantique.

Notre équipe est parvenue à coupler grâce à un circuit résonant supraconducteur micro-fabriqué un détecteur quantique de bruit, une jonction supraconducteur-isolant-supraconducteur capable de distinguer les processus d’émission et d’absorption, à une jonction Josephson, qui correspond à deux supraconducteurs reliés par une petite jonction tunnel. Il a été ainsi possible de détecter dans le régime quantique, le bruit en émission et en absorption du circuit résonant à l’équilibre [1,2]. A très basse température le circuit n’émet pas de bruit mais présente toutefois un bruit en absorption non nul, relié aux fluctuations de point zéro (figure 1). Cette technique permet également une mesure directe du bruit en courant associé au passage par effet tunnel des porteurs de charge à travers la jonction Josephson à 28.4GHz et 80.2 GHz, les fréquences de résonance du circuit de couplage [1,2,4].

Ce travail ouvre de nouvelles perspectives concernant la compréhension du transport électronique en permettant d’accéder aux fluctuations de courant en émission et en absorption à haute fréquence. Cette technique a ainsi pu être appliqué à la mesure du bruit dans des systèmes fortement corrélés.

Mesure du bruit quantique haute fréquence dans un nanosystème fortement corrélé

L’étude de la dynamique rapide de systèmes corrélés est un domaine de recherche encore en pleine exploration. Les physiciens disposent à présent d’une large palette de moyen expérimentaux pour étudier les propriétés à l’équilibre (ou proche de l’équilibre) de systèmes fortement corrélés massifs, qui sont de ce fait de mieux en mieux compris. Par contre, la dynamique rapide de tels systèmes est bien moins connue. De ce point de vue les systèmes de taille nanométrique offrent des perspectives uniques et permettent d’étudier des situations nouvelles. Ainsi grâce aux progrès réalisés en nanotechnologie, il est maintenant possible de concevoir des dispositifs dans lesquels le système qui est le siège des effets de corrélations électroniques est placé fortement hors équilibre. Dans cette optique, l’effet Kondo dans les boites quantiques constitue un système modèle. Il correspond à l’écrantage dynamique du spin de la boite par les électrons de conduction des contacts, lorsque la boite est occupée par un nombre impair d’électrons. Ceci conduit à un état corrélé boite quantique-réservoirs pour des températures inférieures à la température Kondo Tk. Cet effet a été intensément étudié par des mesures de transport et, plus récemment, par des mesures de fluctuations de courant (ou bruit). Cependant ces études se sont attachées au régime basse fréquence alors que le régime haute fréquence permettrait de sonder la dynamique de l’effet Kondo dans les boites quantiques.

Figure 2 : Schéma du circuit de supraconducteur servant à coupler le nanotube de carbone, figuré en orange et le détecteur quantique (en rouge). Une image réalisée au microscope électronique à balayage de ces deux systèmes est également montrée.

Figure 3 : Courbe de dérivée du bruit en courant mesuré à deux fréquences (en rouge) et prédiction théorique (en noir). Les flèches pointent la singularité associée à l’effet Kondo. La courbe bleue correspond à la conductance du nanotube en fonction de la tension appliquée.

Grâce à la collaboration entre notre équipe et une équipe de théoriciens du Laboratoire de Physique des Solides, ce régime a pu être mesuré et analysé récemment [1,3]. La première mesure des fluctuations de courant à haute fréquence dans le régime Kondo sur une boite quantique réalisée avec un nanotube de carbone a ainsi pu être obtenue par couplage à un détecteur quantique de bruit, une petite jonction supraconducteur/isolant/supraconducteur, via un circuit résonant supraconducteur. Une singularité dans le bruit reliée à la résonance Kondo apparait à la tension V= hf/e lorsque la fréquence de mesure f est de l’ordre de kbTk/h. Cette singularité est fortement diminuée lorsque la fréquence est de l’ordre de 3 kbTk/h. Ce comportement est en bon accord avec les prédictions théoriques si l’on considère un taux de déphasage du spin plus important induit par la tension appliquée. Ce type de détection constitue ainsi une nouvel outil pour sonder la dynamique de nanosystèmes corrélés.

Références :

[1] High frequency quantum noise of mesoscopic systems and current-phase relation of hybrid junctions Julien Basset, Thèse, Orsay (2011).Pdf

[2] Emission and Absorption quantum noise measurement with an on-chip resonant circuit J. Basset, H. Bouchiat, R. Deblock Phys. Rev. Lett. 105, 166801 (2010).Pdf

[3] Quantum Noise Measurement of a Carbon Nanotube Quantum Dot in the Kondo Regime J. Basset, A. Kasumov, P. Moca, G. Zarand, P. Simon, H. Bouchiat, R. Deblock. Phys. Rev. Lett. 108, 046802 (2012).Pdf

[4] High Frequency Quantum Admittance and Noise Measurement with an On-chip Resonant Circuit J. Basset, H. Bouchiat, R. Deblock, Phys. Rev. B 85, 085435 (2012).Pdf

Contacts : Richard Deblock, Hélène Bouchiat.