Vers une électronique de spin cohérente de phase à base de nanotubes de carbone
Introduction
Le degré de liberté quantique de spin est maintenant très exploité pour contrôler le transport de courant dans les dispositifs électroniques. Les dispositifs présentant une magnétorésistance géante par exemple sont utilisés dans les disques durs des ordinateurs actuels . Récemment dans le domaine de l’électronique de spin moléculaire, d’énormes efforts se sont portés vers la connexion d’électrodes ferromagnétiques sur des structures chaque fois plus petite. Cette réduction de la taille nous rapproche de plus en plus de l’échelle atomique ou moléculaire : il faut a priori réexaminer les lois connues qui gouvernent le transport de spin dans les multi-couches. A la lisière entre les mondes macroscopique -gouverné principalement par les lois classiqueset microscopique -régi par la mécanique quantique- se trouve la physique mésoscopique o`u les effets quantiques peuvent se manifester. Le nanotube de carbone mono-paroi (SWNT) possède deux atouts majeurs quand il s’agit de transport quantiquement cohérent : c’est un conducteur de basse dimensionnalité se comportant comme un fil balistique ou un ˆılot quantique (suivant sa longueur et la géométrie des électrodes) et il possède quatre de canaux de conduction (dégénérescence orbitale et de spin). Objet aux propriétés physico-chimiques remarquables, le nanotube de carbone peut aisément ˆetre combiné pour former des structures hybrides. Dans de tels dispositifs, il est alors possible de sonder la physique du transport électronique quantiquement cohérent. L’objet de cette thèse a été d’étudier les effets de cohérence de spin et de phase orbitale dans des dispositifs mésoscopiques hybrides à base de SWNT. Pour cela nous avons mis au point un système de mesures non-locales à quatre points. Nous avons mesuré à la fois la conductance et la tension non-locale dans le dispositif à base de nanotubes de carbone connecté à plusieurs réservoirs. Ce travail s’articule de la fa¸con suivante : dans une première partie nous présentons quelques résultats récents et marquants de l’électronique de spin moléculaire. Nous évoquerons les premières mesures non-locales effectuées dans le régime diffusif incohérent multi-canal et dans le régime cohérent multi-canal. La deuxième partie porte sur les nanotubes de carbone : leurs propriétés électroniques remarquables et leur implémentation pour des circuits hybrides pour former des boites quantiques. Nous modélisons le basculement des électrodes ferromagnétiques d’un dispositif de type vanne de spin à base de nanotubes de carbone. Nous présentons l’effet Magnéto-Coulomb qui peut ˆetre à l’origine de la magnéto-résistance tunnel observée dans les dispositifs de type vanne de spin à base de nanotubes de carbone. L’ensemble des techniques expérimentales de nano-fabrication sont décrites dans la troisième partie. Nous présentons également la caractérisation MFM des électrodes ferromagnétiques 1 2 utilisées durant ce travail. Puis dans la quatrième partie, nous présentons le modèle théorique développé sur une approche en terme de matrice de diffusion. Ce modèle permet de décrire deux types de systèmes cohérents à peu de canaux de conduction possèdant des géométries différentes. Nous montrons que l’existence d’un signal de spin dans la conductance ne peut pas ˆetre expliqué par un modèle diffusif cohérent multi-canal, ni à travers un modèle incohérent à peu de canaux de conduction. Les résultats expérimentaux que nous avons obtenus pour le premier type de dispositif décrit dans la théorie sont présentés dans la cinquième partie. Les échantillons sélectionnés sont ceux présentant un régime de transport sans interaction. Nos dispositifs se comportent comme une assemblée de trois boites quantiques couplées. A l’issu de ce chapitre, nous concluons à l’existence d’une cohérence de phase orbitale et de spin de la fonction d’onde électronique dans tout le dispositif. Dans une dernière partie, les résultats expérimentaux préliminaires sont décrits pour le second type de dispositif ”tˆete de théoricien”. Cette expérience est le pendant d’une expérience importante de physique mésoscopique. Elle permet de confirmer l’existence de la cohérence de phase de l’électron sur l’ensemble du nanotube de carbone connecté à quatre réservoirs.
Résultats principaux
Nous avons étudié, dans deux géométries de dispositifs schématisées à la figure 2, les variations du signal de spin (MG = GP −GAP GP ou MV = VP − VAP ) en fonction de la tension de grille appliquée. Figure 2 – Géométrie des dispositifs étudiés A : les électrodes centrales sont ferromagnétiques, dispositif N-F-F-N. B : les électrodes ferromagnétiques sont à une extrémité du fil balistique, la tension non-locale V c 34 est mesurée entre ces dernières. La conductance Gc 12 est mesurée entre les électrodes normales situées à l’autre extrémité du fil balistique, dispositif N-N-F-F. 3 Dans la géométrie de mesure non-locale initialement proposée par Johnson-Silsbee [3], des électrons polarisés en spin sont injectés par une électrode ferromagnétique et peuvent ˆetre détectés par une autre (analogue à une expérience d’optique analyseur-polariseur croisés). Nous avons observé un signal de spin à la fois dans dans la tension non-locale et dans la conductance pour cette géométrie ”classique” N-F-F-N.
Signal de spin dans la tension non-locale
Le signal de spin dans la tension non-locale change de signe en fonction de la tension de grille comme cela est illustré à la figure 3. Ce changement de spin est spécifique du transport dans le régime cohérent. En effet, la prise en compte d’un mécanisme d’effet tunnel résonant et de la dépendance en spin de l’onde électronique sont nécessaires pour rendre compte théoriquement de ces résultats. Figure 3 – Changement de signe dans le signal de spin de la tension non-locale en fonction de la tension de grille dans échantillon de type N-F-F-N (A) et à une température de 4.2 K.. L’amplitude et le signe de ce dernier peuvent ˆetre contrôlés par une tension de grille : nous mettons en évidence un comportement de type transistor de spin à effet de champ dans notre dispositif.
Signal de spin dans la conductance
Les oscillations du signal magnétique dans la conductance avec la tension de grille, présentées à la figure 4, sont la signature d’interférences quantiques de l’onde électronique dans notre dispositif. Les oscillations dans la conductance dépendent de la configuration magnétique des électrodes ferromagnétiques. L’existence d’un signal de spin dans la conductance entre les électrodes N-F (comme indiqué sur le schéma 2A) est anormale. A l’aide d’un modèle diffusif incohérent multicanal ou d’un modèle incohérent à peu de canaux de conduction, aucun signal de spin ne peut ˆetre prédit entre ces deux électrodes. Il est nécessaire d’avoir recours à un modèle cohérent pour un petit nombre de canaux de conduction pour pour rendre compte de cette observation. La dépendance du signal de spin avec la tension de grille a pu ˆetre comprise de fa¸con qualitative et quantitative à l’aide d’une approche théorique en terme de matrices de diffusion.
Expérience de tˆete de théoricien
Le second type de dispositif étudié, schématisé à la figure 2B, n’a aucun analogue classique en terme d’injecteur et détecteur de spin : les électrons sont injectés et détectés entre des électrodes normales, et les électrodes ferromagnétiques sont placés en dehors du chemin classique des porteurs de charge. Ces électrodes ferromagnétiques sont l’analogue de la boucle d’or située en dehors du chemin classique, dans l’expérience proposée par Umbach et al. [4] et schématisée dans la figure 6.1A. Dans la boucle, les électrons accumulent une 5 phase Aharonov-Bohm, signature des effets de cohérence quantique. Dans notre dispositif schématisé à la figure 6.1B, les électrons accumulent une phase géométrique dépendante du spin qui se traduit notamment par l’existence d’un signal de spin anormal dans la conductance. Nous montrons que les ondes électroniques sont délocalisées sur l’ensemble du nanotube de carbone en conservant leur cohérence de phase.
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