Signature calorimétrique de cohérence de phase quantique dans des anneaux mésoscopiques

Calorimetric signature of quantum phase coherence in mesoscopic rings.

• Auteur / Autrice : Germain Souche
• Direction : Olivier Bourgeois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 22/09/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Saminadayar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Bourgeois, Hugues Pothier, Philippe Gandit
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Richard Deblock, Ulf Gennser, Christian Degache

Mots clés

Mots clés libres

Mésoscopique

Courants permanents

Nanocalorimétrie

Thermodynamique

Mesoscopic

Persistent currents

Nanocalorimetry

Thermodynamics

Résumé

Dans ce manuscrit, nous présentons des mesures haute résolution de chaleur spécifique Cp réalisées sur des anneaux mésoscopiques d'argent à très basses températures. Le but de cette expérience est de mettre en évidence une possible signature thermique due à la présence de courants permanents. Ce phénomène reste encore mal compris malgré de nombreuses expériences. Il existe en effet des contradictions entre les différents modèles théoriques et les résultats expérimentaux. L'approche thermique que nous exposons ici est un angle nouveau qui n'a jamais été exploré. Sous champ magnétique, une oscillation de période égale au quantum de flux Φ0=h/e (ou moitié) de Cp est attendue théoriquement. L'échantillon étudié est composé d'un grand nombre d'anneaux d'argent mésoscopiques déposés sur une membrane en silicium suspendue. Nous avons réalisé, à différentes températures, de multiples balayages en champ de la chaleur spécifique. Un traitement des signaux obtenus a ensuite été réalisé afin de repérer une éventuelle périodicité. Il a révélé la présence sur le signal de phase d'une oscillation de période h/2e n'apparaissant pas sur le module de la chaleur spécifique. Cette signature est maximale à 100mK. La fréquence et l'amplitude obtenues sont en accord avec les prédictions théoriques. La sensibilité atteinte est de ΔC~10^(-14)J/K sur le module (et de Δφ~10^(-2) degrés sur la phase) soit 10^(-21)J/K par anneau. Les résultats présentés ici apportent donc de nouveaux éléments dans l'analyse des courants permanents.

In this thesis, we report very high resolution specific heat measurements of normal metal mesoscopic silver rings at very low temperatures. The objective of this experiment is to measure the possible existence of thermal signatures due to the presence of persistent currents. This phenomenon is still misunderstood despite many measurements. Some contradictions exist between experimental results and the different theories. The thermal approach is a new point of view. Under magnetic field, the Cp variation is expected be periodic with the quantum of flux Φ0=h/e or half of the quantum of flux as it has been theoretically predicted. The studied samples is composed by a large number of silver rings with an electronic phase coherence length of few microns at low temperatures. They were deposited on the suspended membrane of a silicon sensor. We have realized, at different temperatures, a large number of identical scans of the heat capacity variation as a function of the applied field. A signal processing work on this data has then been realized to detect signal periodicities. It showed a difference between the module and the phase of the heat capacity. A peak can be observed on the FFT at a frequency corresponding to h/2e on the phase signal. The peak appears particularly at 100mK with a amplitude which is consistent with previous calculations. A sensitivity of ΔC~10^(-14)J/K on the module (Δφ~10^(-2) degrees on the phase) has been reached whether 10^(-21)J/K per ring. Thus, the presented experiences give new elements in the field of persistent currents.