Transport quantique et interférences électroniques aux échelles

Transport quantique et interférences électroniques aux échelles
mésoscopiques et à basse dimension
Enseignants :
Richard Deblock, laboratoire de physique des solides, Université Paris Sud, Orsay
Takis Kontos, Laboratoire Pierre Aigrain, ENS Paris
TD: François Mallet, Laboratoire Pierre Aigrain, ENS Paris
Le but de ce cours est de donner les notions essentielles pour comprendre le transport électronique
dans les conducteurs à basse température lorsque les collisions inélastiques se font rares. Ce
transport présente des signatures spécifiques de la cohérence de phase des fonctions d’onde
électroniques (interférences quantiques, fluctuations de conductance, courants permanents) à des
échelles qui peuvent atteindre quelques microns à basse température (en dessous de 1K). Nous
introduirons les concepts de conductance quantique (conductance de Landauer et conductance de
Kubo) ainsi que celui de canaux de conduction dans les conducteurs balistiques. La mesure de cette
conductance fait intervenir le couplage aux appareils de mesure et posent des problèmes
fondamentaux qui seront discutés en détail.
Nous insisterons sur le rôle du champ magnétique soit plus précisément du potentiel vecteur qui
permet de moduler la phase des fonctions d’onde électroniques et donne lieu à l’effet Aharonov
Bohm et l’existence de courants permanents dans des structures annulaires. On verra aussi
l’influence du désordre à l’origine de phénomènes de localisation faible, fluctuations universelles de
conductance et localisation forte d’Anderson. Nous analyserons aussi les différents processus
physiques limitant la cohérence de phase, interactions électroniques, collisions avec retournement
de spin, bruit électromagnétique etc… limitant la cohérence de phase.
De façon générale ces effets quantiques sont d’autant plus importants que les électrons sont
confinés dans des structures de dimensionnalité réduite. Dans de tels systèmes, les interactions
électron-électron contribuent à bouleverser la physique du transport.
Nous illustrerons quelques concepts clés de cette physique des électrons à basse dimension par
l'étude récente des conducteurs carbonés, notamment les nanotubes de carbone et le graphène.
Lors de ce cours qui insistera également sur les aspects expérimentaux, nous décrirons les
particularités des structures de bande du graphène et des nanotubes de carbone qui présentent une
relation de dispersion linéaire à basse énergie avec une symétrie presque parfaite électron-trou.
Nous évoquerons les phénomènes reliés aux interactions électroniques tels que le blocage de
Coulomb et l'effet Kondo qui interviennent lorsque ces structures sont confinées dans des dispositifs
de boîte quantique simple ou de boîtes quantiques multiples. Nous discuterons aussi la physique plus
spécifique des structures hybrides réalisées en contactant ces conducteurs carbonés à des contacts
ferromagnétiques (transport polarisé en spin).