MICROSCOPIES AFM ET APPARENTEES

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I. MICROSCOPIE "SGM" D'UN ANNEAU QUANTIQUE

Dans une expérience de type "Scanning Gate Microscopy" (SGM, ou microscopie à grille locale ajustable), la pointe d'un microscope AFM est polarisée électriquement et est balayée au dessus d'une nanostructure semi-conductrice dont la conductance est imagée simultanément à ce balayage.

En utilisant le microscope AFM cryogénique fonctionnant sous champ magnétique développé dans le groupe (voir partie II ci-dessous), nous avons entrepris une telle étude sur des anneaux quantiques de GaInAs afin d'imager dans l'espace réel et manipuler le système électronique cohérent qu'ils hébergent. Nos anneaux quantiques sont élaborés par lithographie électronique à partir d'un gaz électronique bidimensionnel (2DEG) de haute mobilité enfoui à environ 25 nm de la surface libre, ceci afin d'assurer un bon couplage électrique entre le 2DEG et la pointe AFM. Les anneaux ont un diamètre extérieur et intérieur de 650 et 200 nm respectivement, c'est à dire bien plus petits que le libre parcours moyen de 2.3 µm [1]. Le transport électronique à travers l'anneau est donc dans le régime balistique. De plus, GaInAs possède des longueurs de cohérence électronique supérieures au micron à des températures cryogéniques standards (hélium 4). Le transport est donc aussi dans le régime cohérent. La magnéto-conductance des anneaux montre en effet dès 4.2 K des oscillations Aharonov-Bohm (AB) bien prononcées qui attestent de ce régime cohérent.

Les images SGM révèlent la présence d'oscillations très claires dans la conductance, à la fois lorsque la pointe balaie  au-dessus de l'anneau et en dehors de l'anneau: voir image sur notre page d'accueil.  A l'intérieur de l'anneau, ces oscillations suivent la symétrie radiale de l'anneau avec une longueur caractéristique (100 nm) bien supérieure à la longueur d'onde de Fermi (25 nm). A l'extérieur de l'anneau, les oscillations sont concentriques avec celui-ci. De plus, ces dernières évoluent périodiquement avec le champ magnétique avec une périodicité égale à celle des oscillations AB. L'analyse détaillée des images de conductance en fonction des paramètres expérimentaux accessibles (tension sur la pointe, température, champ magnétique) permet de bien discriminer entre les phénomènes dus aux effets de cohérence électronique, liés aux interférences dans l'anneau, et les effets balistiques, dus aux trajectoires de type "balle de billard" réfléchie le long des parois de l'anneau.  En particulier, nous avons montré que les franges concentriques à l'extérieur de l'anneau matérialisent des zones isophases dues à une combinaison des effets AB électrostatiques et magnétiques. La microscopie SGM apparaît donc comme un outil puissant pour  explorer directement  dans l'espace réel des effets d'interférences électroniques et pour imager le transport balistique dans des structures mésoscopiques "enfouies".

[1] B. Hackens et al., Phys. Rev. Lett. 94, 146802 (2005).

II. AFM et Microscopie à Force Electrique (EFM)

L’objectif de ce projet est le couplage électrique local d’une pointe d’AFM (voir schéma de principe) avec les porteurs de charge dans des nanostructures semi-conductrices afin de détecter et d’étudier la distribution spatiale de ces charges (jusqu’à un électron unique) et de mettre en oeuvre localement des effets de champ en vue de manipuler ces charges (jusqu’à une charge unique) avec la pointe. Pour des nanostructures chargées, enfouies, il est nécessaire de travailler à basse température (4,2 K) et sans contact direct pointe/surface, avec une sensibilité à des forces très faibles (< 1 pN ; 1 pN= 10^-12 newton correspondant à l'interaction coulombienne entre deux charges élémentaires distantes de 15nm).

Ce cahier des charges a nécessité le développement (collaboration J. Chevrier et F. Marchi, LEPES, CNRS Grenoble) d’un AFM de grande sensibilité utilisant un concept (schéma à gauche ci-dessous) pour la détection de forces électrostatiques proposé initialement par M. Vogel et al., Appl. Phys. Lett. 78, 2592 (2001). Dans cet AFM, la déflexion du microlevier est mesurée à l'aide d'une microcavité Pérot-Fabry ajustable électriquement (schéma) ou piézoélectriquement. 

L’extrême compacité et la grande stabilité de ce système autorisent un fonctionnement à basse température (4,2 K), ce qui réduit le mouvement brownien du microlevier AFM. Ceci, ajouté à la possibilité d’optimiser la sensibilité du microscope en ajustant la longueur de la cavité, offre une résolution en force extraordinaire de l’ordre de 2 fN.(Hz)^-1/2 (1 fN= 10^-15 N) ainsi qu’en attestent l'analyse de nos mesures de bruit thermique sur le microlevier montrées à droite, ci-dessous.