Romain Maurand

224 Pages·2017·47.69 MB·French

by  Romain Maurand

SQUID à nanotube de carbone: jonction Josephson à
boîte quantique, jonction-Ä, effet Kondo et détection
magnétique d’une molécule aimant
Romain Maurand
To cite this version:
Romain Maurand. SQUID à nanotube de carbone: jonction Josephson à boîte quantique, jonction-Ä,
effet Kondo et détection magnétique d’une molécule aimant. Autre [cond-mat.other]. Université de
Grenoble, 2011. Français. ￿NNT: 2011GRENY013￿. ￿tel-00593729￿
HAL Id: tel-00593729
https://theses.hal.science/tel-00593729
Submitted on 17 May 2011
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THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Nano-Physique
Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée par
Romain Maurand

Thèse dirigée par Wolfgang Wernsdorfer et
codirigée par Laëtitia Marty

préparée au sein de l’Institut Néel
dans l'École Doctorale de Physique

SQUID à nanotube de carbone :
Jonction Josephson à boîte quantique,
Jonction-π, effet Kondo et
Détection magnétique d'aimants
moléculaires

Thèse soutenue publiquement le 17/02/2011
devant le jury composé de :
Mr, Hervé COURTOIS
Professeur, UJF/INéel-CNRS, Président
Mr, Philippe LAFARGE
Professeur, UPD/MPQ-CNRS, Rapporteur
Mr, Hugues POTHIER
Chercheur, IRAMIS-CEA, Rapporteur
Mr, Richard DEBLOCK
Chargé de recherche, LPS-CNRS, Examinateur
Mlle, Laëtitia MARTY
Chargée de recherche, INéel-CNRS, Co-directrice de thèse
Mr, Wolfgang WERNSDORFER
Directeur de recherche, INéel-CNRS, Directeur de thèse

A tous les grands Zampanos!
Remerciements
J’aieuleplaisird’e(cid:27)ectuercetravailaudØpartementNanoSciencesdel’Ins-
titutNØel(cid:224)Grenoble.JeremerciedoncAlainFontaineetJoºlCibertrespective-
ment directeur de l’Institut et directeur du dØpartement de m’y avoir accueilli.
Je remercie le Professeur HervØ Courtois pour avoir acceptØ de prØsider ce
jury de thŁse, le Professeur Philippe Lafarge et Hugues Pothier pour avoir rap-
portØ ce manuscript, ainsi que Richard Deblock pour avoir participØ (cid:224) ce Jury.
CetravaildethŁseaØtØe(cid:27)ectuØsousladirectiondeWolfgangWernsdorfer,
que je remercie ici de m’avoir guidØ pendant ces trois annØes. Parce que ce fut
toujours un grand plaisir de parler de physique avec toi, dans un coin du labo,
(cid:224) des heures tardives. J’ai toujours apprØciØ ta vision de la physique avec les
mains, ainsi que le temps que tu as pris pour m’expliquer les choses. Mais je
voudrais te remercier aussi, pour ces discussions (cid:224) propos de tes escapades en
montagne (cid:224) pied ou en ski de fond.
Ce projet a ØtØ co-encadrØ au plus prŁs par Laºtitia Marty, que je ne peux
remercier en une phrase. Je dirais simplement merci pour les instants chocolat
(cid:224) 2 heure de matin (cid:224) la Sionludi, merci pour les danses de la victoire toujours
sur cette satanØe Sionludi et toujours (cid:224) 2 heure du matin, merci pour les lifts
en Kangoo lors des jours de pluie, merci pour les SupraConducTUEURs. Merci
pour ta rigueur et ton sØrieux scienti(cid:28)que qui m’ont permis d’avancer sans me
perdre. Pour (cid:28)nir, je rØsumerai ton implication par une anecdote : A chaque
fois que j’ai ØtØ dans le vague pendant ce travail et que je me disais : Tiens
il faudrait que je discute avec Laºtitia. J’ai toujours eu la surprise de te voir
dØbarquer dans mon bureau en disant :Roro il faut que l’on discute. Je n’ai
jamais su si tu as le pouvoir de lire dans les pensØes, mais en tout les cas tu
iii
Øtais toujours l(cid:224) au bon moment.
Unimmensemerci(cid:224)SergeFlorens,cartuassum’expliquerlathØorieKondo
avec simplicitØ, pour ton implication sans faille dans ce travail, pour les :
-Serge je peux passer dans ton bureau cet aprŁs-midi?
-OkØ pas de problŁme, on n’a qu’(cid:224) dire (cid:224) 2 heures.
Ensuite je souhaiterais remercier tous les membres de l’Øquipe Nanospin-
tronique et Transport MolØculaire. Tout d’abord Vincent Bouchiat car c’est (cid:224)
cause,ouplut(cid:244)tgr(cid:226)ce(cid:224)toncoursdetransportmoØculairequejesuisarrivØdans
l’Øquipe,ensuiteSubhadeepDattapourquijedoispasserenanglais.Thanksto
youKush,this3yearshavebeensogreatwithyouintheLab:indiandancingin
NanoFab, skiing in Autrans, discovering some indian restaurant. We are entan-
gledforlife.SeeyouinParis.LesdeuxprogrammeursfousquesontChristophe
Thirion et Edgar Bonet pour le dØveloppement de NanoQt, et spØcial remercie-
ment (cid:224)toiEdgarpour avoirtoujours prisletemps derØpondre(cid:224)mes questions
de C++, Javascript ou encore sur le modŁle de Kurki-Jarvi. Nedjma Bendiab
pour ta gentillesse et ton Ønergie inØpuisable et aussi pour mes a(cid:27)aires qui sont
toujours dans ton grenier. Franky Balestro pour ton (cid:231)a va matinal ainsi que
toutes ces discussions (cid:224) la pause cafØ. Tous les post-docs Lapo Bogani, Jarno
Jarvinen, Jean-Pierre Cleuziou (concert inoubliable d’ACDC (cid:224) Marseille), Ma-
nuel "Ramanpes", Andrea Candini et Clemens Winkelmann (on se la fera bien
cette sortie de ski de Rando). Ensuite Adrien Alain, Marc Ganzhorn,CØcile De-
lacour,CØcileRaufast,StefanBahr,Ngoc-vietNguyen,StefanThiele,SØbastien
Liatard,ZhengHanetsurtoutCarinaFaberpourm’avoirsupportØpendantton
stage. Raoul Piquerel pour ton aide infaible sur NanoQt mais surtout pour les
bonnes tranches de rigolades, tes mails idiots et aussi pour m’avoir prŒtØ tes
colocatrices, Matias Urdampilleta dit le basque ou la bi(cid:29)e pour ta bonne hu-
meur perpØtuelle et ton attirance pour mon sternum, Romain Vincent pour ces
discussions en(cid:29)ammØes sur le cotunneling ou sur la portØe d’un obus de 36 tirØ
d’un char Leclerc et pour m’avoir supportØ dans le bureau, Nicolas Roch pour
ta CainRi attitude et pour ces longues nuits (cid:224) partager une chambre que ce
soit (cid:224) CargŁse ou La Thuile, Antoine Reserbat-Plantey pour ton gros style en
ski de rando, mais aussi pour cette soirØe peinture en Øcoutant skyrock, pour ta
connaissance in(cid:28)nie des outils microsoft.
L’intØgralitØdesØchantillonsaØtØrØalisØedanslasalleblancheNanoFab,je
remercie donc Thierry Fournier, Thierry Crozes pour cette satanØe correction
automatiqueentroispointsquidiverge,BrunoFernandez,ChristopheLemonias,
Kahled Hayadi, tous pour leur grande patience avec les petits thØsards et leur
iv
bonne humeur.
Et puis l’ambiance du laboratoire ne serait pas aussi sympathique s’il n’y
avaitpastouslestechniciens:EricEyraud,DanielLepoittevin,RichardHaettel,
David Barral, Denis Maillard, Didier Dufeu, Olivier Exschaw, Patrick Belmain,
Julien Michel... les secretaires : VØronique Fauvel, Sabine Gadal, Eliane ForŒt,
Louise Infuso, Marielle Lardato, Martine Lemoine... CØcile de la repro, avec qui
ont rigole toujours un bon coup, Malika du restaurant H2 : le sourire du midi,
SandrineFerraridel’ØcoledoctoraleetbienØvidemmenttouslesautresthØsards
ou post-docs : Samuel Tardif, Ales Hrabec, Ioan Pop, Claire Le-Gall, Sylvain
Martin,grandMikaLoire,GeorgetaCiuta,AxelFreyn,LaºtitiaPascal,Florian
Lecocq, Yannick Baines, Fabien Bonnet, Fran(cid:231)ois Mallet, Thibaut Capron, Syl-
vain Hermelin, Romain Thalineau, Oana Bunau... tous les autres permanents :
ArnoRalko,ValerieReita,Jean-ChristopheToussaint,LaurentCagnon,Olivier
Fruchart,PierreMolho,StefaniaPizzini,NoraDempsey,DenisFeinberg,Alexia
Au(cid:27)Łves, Joºl Chevrier...
Merci (cid:224) mes trois colocs de toujours : Thomas, Samuel et Xavier. Thomas,
spØcialement pour ce weekend inoubliable en Suisse. Sam pour nos soirØes Tee-
nage Movie et autre LØgionnaire. Xav pour ces dØbats sans (cid:28)n sur le balcon,
pour la montagne... Je remercie aussi tous les loulous avec qui j’ai pu sortir du
labo pour faire du ski de rando, de la planche (cid:224) voile, aller au cabaret frappØ,
grimper,boiredescanons,passerdebonsmoments,quecesoit(cid:224)Grenoble,Pa-
ris, Nice, Montpellier, Rennes, Lubjana ou ailleurs : les Lesbids (Maman VØro
etDidi),pØpŁreetmØmŁre(FabetAlex),lapoivreetselSophie,Marie-Chantal
et l’armØnien GrØgoire, les ni(cid:231)ois Chomb et Chombette (Jessica et Sebastian),
les bretons (Sarah et Johan), Tim et Tom, Oriane la sexy satanique, les deux
poulettes (Charlotte et CØcile)...
Merci (cid:224) toute ma famille, vous avez tous contribuØ (cid:224) ce que je suis aujour-
d’hui.Merci(cid:224)toipØpØ,quim’amontrØquel’humourestlaclefdetout:Oeil de
Pie.Unmerciin(cid:28)ni(cid:224)mesparentsRitonetLolo,pourm’avoirtoujourssoutenu
dans mes choix, pour Calder, la KTM 250, Matisse, le D(cid:244)me des Ecrins, Ernest
Pignon Ernest, les gorges de la Caran(cid:231)a, Michel Onfray, Chamonix Zermatt,
Monsieur T, Stromboli by night...Et en(cid:28)n merci (cid:224) toi, mon doudou pour ton
soutien sans faille, pour ta patience et pour tous ces moments privilØgiØs passØs
avec toi.
v

Table des matiŁres
Remerciements iii
Introduction gØnØrale v
1 Introduction sur les Nanotubes de Carbone 1
1.1 PropriØtØs structurales des nanotubes de carbone . . . . . . . . . 1
1.1.1 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Structure des nanotubes monoparois . . . . . . . . . . . . 5
1.2 PropriØtØs Ølectroniques des nanotubes monoparois . . . . . . . . 7
1.2.1 Structure de bande du graphŁne . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 ApproximationderepliementdezoneetstructureØlectro-
nique des nanotubes de carbone. . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3 E(cid:27)et de courbure et faisceaux de nanotubes de carbone . 12
1.3 Energies explorØes et conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Bibliographie du chapitre et de l’introduction . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Fabrication, Øquipement et principe de mesure 21
2.1 Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.1 Introduction sur la fabrication . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.2 Choix et prØparation du substrat . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.3 Marques d’alignement et plots de connexion par lithogra-
phie optique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.4 Dispersion, dØp(cid:244)t et repØrage des nanotubes de carbone . 28
2.1.5 Lithographie Ølectronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 Equipements et mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
i
2.2.1 CaractØrisation (cid:224) tempØrature ambiante . . . . . . . . . . 36
2.2.2 Cryostat et (cid:28)ltrage pour les trŁs basses tempØratures . . . 37
2.2.3 Adwin, NanoQT et prØ-ampli(cid:28)cateur . . . . . . . . . . . . 42
2.2.4 DØtection numØrique du courant d’Øchappement . . . . . 47
Bibliographie du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3 Bases thØoriques autour des jonctions (cid:224) nanotube de carbone 53
3.1 Conductance mØsoscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1 Formalisme de Landauer-B(cid:252)ttiker . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.2 Gap semi-conducteur et barriŁre Schottky . . . . . . . . . 57
3.2 Blocage de Coulomb ou e(cid:27)et tunnel sØquentiel. . . . . . . . . . . 58
3.2.1 Conditions d’observation du blocage de Coulomb . . . . . 59
3.2.2 Potentiel chimique et blocage de Coulomb . . . . . . . . . 60
3.2.3 Un nanotube connectØ : une bo(cid:238)te quantique? . . . . . . . 62
3.2.4 Diagramme de stabilitØ et diamants de Coulomb . . . . . 64
3.2.5 Conduction par des Øtats excitØs . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3 Au del(cid:224) de l’e(cid:27)et tunnel sØquentiel : le cotunneling . . . . . . . . 69
3.4 E(cid:27)et Kondo dans les bo(cid:238)tes quantiques . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4.1 TempØrature Kondo et spin (cid:29)ip . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4.2 Signatures et Øtudes expØrimentales de l’e(cid:27)et Kondo de
spin 1/2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.5 Jonctions Josephson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5.1 Bref historique introductif . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5.2 ModŁle RCSJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.6 SupraconductivitØ mØsoscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.6.1 Quasiparticules dans un conducteur BCS . . . . . . . . . 91
3.6.2 RØ(cid:29)exion d’Andreev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.6.3 Etats liØs d’Andreev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.7 SQUID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.7.1 Principe et relations de base . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.7.2 Modulation du courant critique . . . . . . . . . . . . . . . 103
Bibliographie du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4 CorrØlations Ølectroniques et supraconductivitØ dans un nano-
SQUID 113
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2 CaractØrisation du nano-SQUID dans l’Øtat normal . . . . . . . . 113
ii