De l effet Kondo dans les nanostructures à l électronique de spin quantique. Pascal SIMON

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1 De l effet Kondo dans les nanostructures à l électronique de spin quantique Pascal SIMON

2 Activités de recherche Etude de systèmes d électons fortement corrélés à l'échelle méso-nano Transport dans les boîtes quantiques, fils quantiques, etc... - Rôle du SPIN: Effet Kondo dans les nanostructures - Etude d impuretés magnétiques adsorbées sur des substrats métalliques Électronique de spin quantique et décohérence (de spin) Magnétisme nucléaire et corrélations dans les gaz d électrons corrélés en dimension réduite (2D et 1D) Corrélations dans les systèms d atomes froids en dimension réduite (thèse de F. Crépin 2008->11)

3 I. Les systèmes méso et nanoscopiques: un laboratoire pour la physique à N corps

4 Boîtes quantiques et effet Kondo

5 Perspectives théoriques et expérimentales Apports majeurs: Possibilité de contrôler complètement: 1) les caractéristiques d une ou de plusieurs impuretés magnétiques 2) leurs positions 3) leurs couplage 4) la nature de l environnement électronique,. Réservoirs métalliques, supraconducteurs, ferromagnétiques, réservoir de taille finie, etc. Offre la possibilité de décortiquer les corrélations électroniques à l échelle nanoscopique (Sonde = Transport)

6 Exemple: systèmes à deux impuretés Réalisation avec des boîtes quantiques Réalisation avec atomes de Co Adsorbés sur du Cuivre Exp.: N. Craig et al., Science 304, 565 (2004) P. Wahl et al. PRL (2007) Théorie: PS, R. Lopez, Y. Oreg, PRL 2005 P. Wahl, PS, et al. PRL 2007 J. Merino, L. Borda, PS, soumis à PRB

7 Route vers la criticalité quantique Phase 1 Phase 2 Paramètre de contrôle Point critique quantique Réalisation dans des doubles boîtes quantiques B. Lazarovits, PS, G. Zarand, et L. Szunyoth, PRL 2005 C.-H. Chung, G. Zarand, PS, et M. Vojta, PRL 2006 L. Dias da Silva, N. Sandler, PS, K. Ingersent, S. Ulloa, soumis à PRB Goldhaber-Gordon et al., Nature 07

8 Dynamique de spin dans les structures hybrides Jonction (chgt de signe du courant Josephson) Le courant Josephson est donc très sensible à la dynamique de spin En présence de corrélations dans la boîte quantique: Problème plus complexe! Jonction Jonction 0 Mise en oeuvre d une méthode versatile pour traiter ces problèmes ½ travail de postdoc de S. Andergassen

9 Projets dans cette direction.1 i) Clusters d'impuretés magnétiques adsorbées sur un métal Projet: - description des états de hautes énergies du spectre - Quid des impuretés magnétiques sur du graphène? Collab. C Bena ii) Réalisation et caractérisations de points critiques quantiques exotiques dans des boîtes quantiques iii) Dynamique de systèmes nanoscopiques corrélés. Ex: Calcul du bruit à fréquence finie Collab. I. Safi (th.) R. Deblock et al. (exp.)

10 Projets dans cette direction.2 SC SYSTEME MAGNETIQUE SC Le système magnétique peut représenter: - une boîte quantique, un nanotube ( Exp. dans le groupe H. Bouchiat) Diplom- Arbeit de Tobias Meng (01/03/08 -> 31/01/09) - une molécule magnétique (Gd métallo-fullerène de H. Bouchiat et al.) - une structure magnétique plus complexe (jonction SFS de Aprili et al.) Point commun: Le système magnétique possède une dynamique de spin intrinsèque qui se couple au courant Josephson

11 II. ÉLECTRONIQUE DE SPIN QUANTIQUE ET DECOHERENCE

12 Comparaison spin/charge Temps de relaxation/cohérence plus grand τ >> spin charge φ τ φ > 100 ns -1 ms 1 ns Awschalom et al., 97 Kouwenhoven et al., 03/ 04 Tarucha et al., 02 mesoscopics Fujisawa et al. 03 Marcus et al. 01 Choix naturel pour un qubit ou pour transporter de l information: spin ½ de l électron

13 Electronique de spin basée sur l intrication spin-orbite Filtre à spin type Stern-Gerlach Interféromètre type Stern-Gerlach Limite Unitaire (T << T K ): G 1 = G 2 = e 2 /h Précession cohérente de spin D. Feinberg, PS, APL 2004 PS, D. Feinberg, PRL 2006

14 Etude des sources de décohérence i) Relaxation de spin d un trou localisé dans une boîte quantique par les phonons en présence d un couplage spin-orbite M. Trif, PS, D. Loss, soumis à PRL Projet: Couplage et manipulation de spin dans les boîtes de trous ii) Fluctuations de l'environnement électromagnétique externe Projet: Traitement par une théorie phénoménologique incluant les fluctuations de spin et l environnement S. Florens, PS, S. Andergassen, D. Feinberg, PRB 2007 S. Andergassen, PS, S. Florens, D. Feinberg, PRB 2008 Aller au delà: une théorie microscopique? Collaborations possibles: Th: G. Montambaux, I. Safi, Exp: - groupe de H. Bouchiat (LPS) - SPEC (Saclay), LPN (Marcoussis)

15 Enseignement Niveau Master 2 I) Théorie des champs appliquée à la matière condensée (Bosonisation, Modèle sigma non-linéaire, groupe de renormalisation, etc...) II) Projet: Transport dans les systèmes mésoscopiques corrélés (Blocage de Coulomb, effet Kondo dans les nanostructures, transport dans les nanotubes, dans le graphène, décohérence par l environnement, etc.)

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17 Projet: Gaz atomiques en dimension réduite Nouveaux systèmes modèles dans lesquels on peut contrôler l amplitude et le signe des interactions entre atomes piégés Offre la possibilité de réaliser des systèmes corrélés y compris de basse dimension Etude de phases exotiques dans les gaz atomiques en basse dimension (piège optique1d ou quasi 1D) (Thèse de F. Crépin) Stage de Master 2 de F. Crépin (Avril 2008-Juillet 2008): Signatures expérimentales de plateaux d aimantation dans les échelles de Hubbard

18 Collaborations Collaborations locales: Institut Néel (Dept NANOsciences) Th: D. Feinberg, S. Florens Exp: Groupe Bauerle-Saminadayar Contrats: 1 contrat partagé de l'anr (PNANO, 350k) (06->09) intitulé QuSpins (1 postdoc, S. Andergassen, 06->08) 1 contrat ECOS avec l Argentine (Bariloche) Collaborations internationales: université de Bâle, institut Bariloche (Argentine), Argonne National Lab (USA), université de Budapest, université de Séoul, université de Hambourg, université de Cologne, université des îles Baléares, Institut Max Planck de Stuttgart, université de Tel Aviv (Israel), UBC (Vancouver), université de Yale, Institut Weizmann (Israel), etc. Contrat: 1 contrat partagé auprès de l ESF (QSpiCE, 09->14)