Quantum transport and electron correlations in semiconductor

D i r e c t i o n d e s S c i e n c e s d e l a Ma t i è r e
Institut Nanosciences et Cryogénie
Service de Physique Statistique, Magnétisme et Supraconductivité
Sujet N° 11
Titre : Quantum transport and electron correlations in semiconductor nanowires
Contact :
Silvano De Franceschi
Tél :
0438785480
Mél :
[email protected]
Scientific context: Nanoscale electronic devices are foreseen to play a significant impact on nextgeneration technologies. Simultaneously, they can provide versatile and relatively simple systems to
study complex quantum phenomena under well-controlled, adjustable conditions. Existing
technologies allow us to fabricate nanostructures in which it is possible to add or remove individual
electrons, turn on and off interactions, tune the electronic state of a confined system, simply by
changing the voltage on a gate electrode or an external magnetic field.
The experimental research activity of our group is concentrating on two classes of materials:
carbon nanotubes and self-assembled semiconductor nanostructures. These nanomaterials are
attracting widespread interest owing to their unique physical properties: 1) single-wall carbon
nanotubes provide almost ideal one-dimensional systems; 2) semiconductor nanostructures enable
ample versatility in terms of material and geometrical properties and the possibility to engineer
different functionalities in the same nanodevice. Recent experiments have shown that both types of
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nanomaterials can be efficiently connected to metal leads and controlled by local gate electrodes .
We are interested in exotic transport regimes resulting from the interplay between size
quantization, Coulomb interactions, and many-body correlation mechanisms among electrons. In one
dimension there is no possibility for electrons to go around each other. This simple fact has profound
consequences in the electronic properties. For instance, Fermi liquid theory, which is so successful in
describing electrons in bulk metals, does not apply anymore. Spin and charge excitations can have
distinct dispersion relations, and hence propagate along the one-dimensional electron gas with
4
different velocities (a phenomenon known as spin-charge separation ). The improved structural quality
of carbon nanotubes and semiconductor nanowires is creating new opportunities for the investigation
of elusive quantum phenomena in one (or zero) dimensions, and a large body of existing predictions is
becoming accessible to experiments.
Contexte scientifique : Les dispositifs électroniques nanométriques seront au cœur d’une nouvelle
révolution technologique. Parallèlement, ils représentent des systèmes versatiles simples pour étudier
des phénomènes quantiques complexes. Les technologies actuelles nous permettent de fabriquer des
nanostructures dans lesquelles il est possible d’ajouter ou de retirer les électrons un par un, moduler
les interactions, ajuster l’état électronique du système simplement en variant une tension de grille ou
un champ magnétique externe.
La recherche expérimentale de notre groupe se concentre sur deux familles de composés :
les nanotubes de carbone et les nanostructures semiconductrices auto-assemblées. Ces
nanomatériaux sont particulièrement étudiés pour leurs propriétés physiques uniques. Ainsi, les
nanotubes de carbone mono-paroi représentent-ils un système électronique unidimensionnel. De leur
côté, les nanostructures semiconductrices ont l’avantage d’être des systèmes très souples au niveau
de leur composition et de leur géométrie. Des expériences récentes ont montré que ces deux types de
nanostructures peuvent être contactés à l’aide d’électrodes métalliques et leur état électronique
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contrôlé par des électrodes de grille réalisées par lithographie électronique .
Nous nous intéressons à des régimes de transport exotiques résultant de la combinaison
entre le confinement quantique, les interactions de coulomb, et les corrélations à n-corps entre
électrons. Le transport des électrons est fortement affecté par la réduction de la dimensionnalité. Par
exemple, la théorie du liquide de Fermi qui s’applique avec succès pour la description de la plupart
des métaux massifs n’est plus valide. Les excitations de charge et de spin peuvent se propager avec
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des vitesses différentes le long d’un conducteur unidimensionnel (séparation spin-charge ). La qualité
structurale atteinte aujourd’hui par les nanotubes de carbone et les nanofils semiconducteurs
synthétisés offre des perspectives très prometteuses pour l’étude de nouveaux phénomènes
quantiques.
Commissariat à l’énergie atomique
Centre de Grenoble – INAC/SPSMS - 17 Rue des Martyrs - 38054 GRENOBLE cedex 9
Tél : 33 - 4.38.78.33.84 - Fax : 33 - 4.38.78.50.98 -
D i r e c t i o n d e s S c i e n c e s d e l a Ma t i è r e
Institut Nanosciences et Cryogénie
Service de Physique Statistique, Magnétisme et Supraconductivité
Project outline: This PhD project is motivated by the fascinating and, at the same time, challenging
idea i) to confine electrons one by one in a linear chain, ii) to control the phase-coherent evolution of
their quantum mechanical degrees of freedom, iii) to understand how electrons interact among
themselves or with the host crystal, iv) how their electron correlations affect observable transport
properties. The initial phase of the project will be devoted to the fabrication and basic characterization
of single and multiple quantum dots in individual semiconductor nanowires. Part of these initial tasks
could as well form a valid subject for a master project. The student will then be able to investigate
short- and long-range electron spin correlations in a single-nanowire. Particular attention will be
devoted to the study of model systems consisting of a linear chain of coupled quantum dots and wires
with controlled tunnel barriers and occupation numbers. Interesting possibilities are also expected to
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arise by connecting the nanowires to superconducting electrodes .
Description du projet : Ce sujet de thèse a pour objectif d’étudier le transport quantique dans des
nanostructures semiconductrices dans le régime où les corrélations électroniques sont très fortes.
La première étape de ce projet sera dédiée à la fabrication (par lithographie électronique) et les
premières caractérisations de quantum dots sur un nanofil semiconducteur unique. Certaines parties
de ce travail s’inscriront idéalement au sein d’un projet de master II. L’étudiant pourra alors
s’intéresser aux corrélations électroniques à courte et longue portée dans des quantum dot couplés
sur les nanofils en effectuant des mesures de magnéto-transport à très basse température. Le but de
ce travail sera : d’assembler les électrons un par un le long d’une chaîne de conduction
unidimensionnelle, de contrôler l’évolution de leurs degrés de liberté quantiques, de comprendre le
type d’interaction des électrons entre eux et avec le cristal hôte, ainsi que l’influence des corrélations
électroniques sur les propriétés de transport. Pour cela, l’incorporation d’électrodes supraconductrices
1,2,5
ouvrira une nouvelle voie pour l’investigation d’effets reliés à la cohérence quantique .
Examples of semiconductor nanodevices fabricated in our facilities.
Left panel: four-terminal device based on a single silicon nanowire. Contacts
are realized through a controlled silicidation process.
Right panel: single self-assembled semiconductor quantum dot contacted by
source and drain electrodes. Two additional side gates (top and bottom)
enable electrostatic control of this single electron transistor.
Research environment: The student will be part of a group of 4-5 people led by Dr. De Franceschi who
joined the Institute for Nanoscience and Cryogenics in Nov. 2006. The lab is equipped with several
cryogenic setups for low temperature electrical measurements down to 10 mK, including a new
dilution fridge equipped with a 9x3 Tesla vector magnet. The fabrication of nanodevices is carried out
at the PTA, the new cleanroom facility located on the CEA-Minatec campus. The cleanroom is
equipped with a Jeol e-beam writer and a Jeol SEM for nanolithography. The nanostructures are
obtained through various collaborations with partners from both inside and outside the CEA. The
research activity of Dr. De Franceschi’s group is supported by two research grants from the French
National Research Agency: ANR Chair d’Excellence and ERC Starting Grant (2008-2012).
Environnement de recherche : L’étudiant fera partie d’un groupe de 4-5 personnes sous la direction du
Dr. De Franceschi qui a rejoint l’Institut pour la Nanoscience et la Cryogénie en novembre 2006.
L’équipe dispose de plusieurs dispositifs cryogéniques permettant les mesures de transport jusqu’à 10
mK incluant un nouveau cryostat à dilution de forte puissance combiné avec une bobine de champ
vectoriel 9*3 Tesla. La réalisation de nanodispositifs est effectuée dans la nouvelle salle blanche du
campus CEA-Minatec, équipée d’un masqueur Jeol et d’un MEB pour la nanolithographie. Les
nanostructures quant à elles sont obtenues à travers plusieurs collaborations avec des partenaires
externes et internes au CEA. L’activité du groupe est soutenue à travers deux financements de
l’Agence Nationale de Recherche : une chaire d’excellence et un Starting Grant ERC (2008-2012).
References:
1. J. van Dam, Y. Nazarov, E. Bakkers, S. De Franceschi, L. Kouwenhoven, Nature 442, 667 (2006).
2. C. Buizert, A. Oiwa, K. Shibata, K. Hirakawa, and S. Tarucha, Phys. Rev. Lett. 99, 136806 (2007).
3. P. Jarillo-Herrero, J. Kong, H.S.J. van der Zant, C. Dekker, L.P. Kouwenhoven, S. De Franceschi,
Nature 434, 484 (2005).
4. O. Auslaender, H. Steinberg, A. Yacoby, Y. Tserkovnyak, B.I. Halperin, K.W. Baldwin, L.N. Pfeiffer,
K.W. West, Science 308, 88 (2005).
5. Y.-J. Doh, J.A. van Dam, A.L. Roest, E.P.A.M. Bakkers, L.P. Kouwenhoven, S. De Franceschi,
Science 309, 272 (2005).
Commissariat à l’énergie atomique
Centre de Grenoble – INAC/SPSMS - 17 Rue des Martyrs - 38054 GRENOBLE cedex 9
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