Spectroscopie de point de contact

Spectroscopie de point de contact
Colin Lopez, Marcel Tencé, Luc Fruchter, Frédéric Bouquet
De la théorie à la pratique, comment « chatouiller » les atomes
La spectroscopie de point de contact (PCS) : un « trou de serrure » mésoscopique
Régime diffusif, l el << d << (l el l in )1/2
Régime ballistique, d << l el , l in
Régime thermique, l el , l in << d
R ~ ρ/ d
R ~ ρ(Τloc)/ d
R ~ RQ/ (kF d2) (RQ = h/2e2)
En moyenne, le contact ballistique sonde la
surface de Fermi (kF) , mais où est la
spectroscopie ?
" En pratique, les contacts mésoscopiques permettent d ’atteindre des
densités de courants pour lesquelles e x E x L ~ énergie à sonder (Debye ou Δ),
parce qu’il n’y a pas d ’échauffement local. Dans le massif, il faudrait des
densités de l’ordre de 109 A / cm2
" En considérant les processus de retro-diffusion, les porteurs peuvent
perdre une partie de leur énergie, dépendante des excitations du milieu
(phonons, quasi-particules), ce qui permet de sonder le matériau. Spectre de contact et spectre de phonons
pour LSCO (Yanson et al 1987 et Belushkin et al 1989) Gap supraconducteur et pseudo gap pour YBCO (Rybaltchenko 1990)
Avantage de la technique : moins contraignant pour la qualité de
la surface que le STM
Inconvénients : non résolu spatialement, qualité du matériau
sondé non contrôlée, plusieurs régimes possible
isolant
Pointe
metal
e
d
ph e
t
NS
Ordre 0 : V(I) est linéaire
V = R I
(Voir résistance R plus haut)
Ordre 1 : V(I) non-linéaire
(La rétrodiffusion sonde les
excitations du milieu à étudier :
phonons, quasi-particules du
supraconducteur)
Contrairement au STM (scanning tunneling microscope), ce ne sont pas directement les
densités d ’états de la pointe et du matériau qui sont comparées par effet tunnel, mais
les processus de retrodiffusion de la charge.
Notre montage intègre cependant les contraintes d ’un STM.
Electronique dédiée à la spectroscopie de point de contact (utilisable également pour la microscopie à effet tunnel) :
ªLa pointe équipée de 2 piezos et de 5 electrodes peut se mouvoir suivant les 3 axes avec une précision à l’échelle de l’atome
ªUn amplificateur de courant programmable pour amplifier un courant de quelques pA à une trentaine de mA
ªPolarisation de l’échantillon programmable à laquelle s’ajoute une tension externe AC utilisée par la détection synchrone
ªExtraction de la composante AC du courant amplifié pour la détection synchrone (courbes dI/dV, d²I/dV² )
ªL’unité de calcul embarquée gère parallèlement :
– le déplacement en collé-glissé de la pointe suivant X ou Z pour la phase d’approche (courbes programmables)
– le déplacement de la pointe via les piezzos pour le balayage
– l'asservisement numérique de la pointe en courant ou en altitude (les seuils d’approche, la fréquence et le pas sont programmables)
– le prétraitement du courant tunnel (moyennage, filtrage numérique)
ªLogiciels de stockage des données et d’imagerie (VisualBasic pour la spectroscopie et DigitalMacrograph pour l’imagerie en microscopie)
CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES :
ª 5 voies bipolaires ± 150 V pour la commandes des piezos : ± 1mV de bruit, bande-passante 25 kHz
ª 1 voie bipolaire ± 300 mV pour la tension de polarisation de l’échantillon
ª Contrôle numérique des 6 voies : 16 bits à 6 MSPS [1] sur chaque voie
ª Une tête d’amplification du courant tunnel avec gains programmable : bande-passante supérieure à 1.5 kHz pour les forts gains, gains de 500 à 1010
ª Une entrée de numérisation du courant tunnel amplifié (ADC) : 12 bits à 25 MSPS [1]
ª Appareil équipé d’un circuit logique programmable (FPGA) cadencé à 48 MHz connecté en USB2 au PC. [1] méga-échantillons par seconde
AC+DC DC
I(t)
X
Y
Z
AMPLIS Haute Tension
X-
X+
Y- Y+
Zmacro
DC
ADC
12bits 25Msps
FPGA
(Unité de calcul)
DAC
16bits
6Msps/ch
G2 G3G1
AMPLI COURANT FAIBLE BRUIT
POINTE PIEZO
CHIP USB
GAINS PROGRAMMABLE
AC+DC
RACK PCS - STM
WINDOWS XP
AC
V(t)
DETECTION
SYNCHRONE
v(t)
I(t)
IAC(t)
dI/dV
d²I/dV²
S
La résistance de contact entre une
pointe et un métal présente différents
régimes, selon la dimension (d) de ce
contact et des libres parcours moyens
élastiques (lel) et inélastiques (lin) des
électrons.
Plus les contacts sont petits, plus les
effets mésoscopiques seront
importants.
On observe alors des déviations à la loi
d’Ohm, déviations qui peuvent être
mises en évidence par la mesure de
dV/dI ou de d²V/dI².
En étudiant l’importance de ces
déviations en fonction de la tension de
polarisation V (et donc de l’énergie des
porteurs de charges), on obtient des
informations sur le phénomène
physique à l’origine du mécanisme de
rétrodiffusion.
Exemple : phonons
gap supraconducteur
Poster présenté aux journées techno’08 du LPS, 29 et 30 mai 2008
Rétrodiffusion par un phonon Rétrodiffusion sur un supraconducteur