Imagerie et spectroscopie par photoluminescence aux millikelvins – milliPICS

La magnéto-spectroscopie est une technique communément utilisée dans l’étude des propriétés fondamentales des matériaux, donnant accès a la structure électronique, aux effets excitoniques, et aux interactions multi-corps. Certaines techniques de spectroscopie optique, telle que la micro-photoluminescence, peuvent de plus être utilisées comme des sondes locales donnant accès aux interactions à courte portée ou à l’influence de l’environnement, comme par exemple la charge de l’objet étudié. Enfin, le degré de liberté de spin peut également être sondé et même contrôlé à l’aide de techniques optiques, ce qui laisse entrevoir de potentielles applications dans le domaine de l’électronique de spin et de l’informatique quantique.

Les effets Hall quantique entiers et fractionnaire dans un gaz d électrons bidimensionnel (GAZ 2D) ont été étudiés pendant plus de 30 ans. Néanmoins, ce domaine de recherche reste très compétitif et rassemble de nombreuses équipes à travers le monde. Des techniques optiques telles que l’absorption et la photoluminescence ont déjà été appliquées aux GAZ 2D. En particulier, les mesures de polarisation résolues en spin donnent un accès direct au degré de liberté de spin et aux phénomènes qui en dépendent. L’absorption est une technique particulièrement puissante pour sonder l’état fondamental du système, avec par exemple la formation de skyrmions (texture de spin), de phase de « bandes » ou de « bulles » (équivalent d’ondes de densité de charge ou de densité de spin). La technique complémentaire d’émission donne accès aux électrons siégeant dans des niveaux de Landau au dessous du niveau de Fermi.

Dans ce projet, un système unique de micro-photoluminescence sera développé : il sera capable d’obtenir des images spectroscopiquement résolues « in-situ », dans un environnement à très basse température et sous champ magnétique intense. Le système expérimental, composé d une fibre monomode couplée à un objectif de microscope sur étage à translation piezzo « x-y-z », sera directement inséré dans la chambre de mélange d un réfrigérateur à dilution « topload » de température de base de 10 mK intégré dans un aimant supraconducteur 16/18 T.

Ce système sera utilisé pour imager et sonder localement les nouveaux états fondamentaux mutli-corps de l’effet Hall quantique, comme par exemple l’état ferromagnétique de Hall quantique au facteur de remplissage v=1, l’état de Moore-Read à v=5/2, les phases de « bandes » et « bulles » aux facteurs de remplissage plus élevés, et le « breakdown » de l’effet Hall quantique. La richesse de la physique de Hall quantique des GAZ 2D dans GaAs est une conséquence de la faible valeur de l’énergie Zeeman, qui laisse les interactions multi-corps l’emporter quasi-systématiquement sur la physique à particule unique.

Une meilleure compréhension de la physique en jeu est importante autant d’un point de vue fondamental qu’appliqué. Par exemple, à v=5/2, les fermions sont supposés être décrits par la fonction de Moore-Read dans laquelle les statistiques sont non- abéliennes, ce qui les rend potentiellement utilisables pour l’informatique quantique. D’autre part, le « breakdown » de l’effet Hall quantique à forts courants électriques limite la précision des mesures métrologiques du standard de résistance qui est maintenant défini par la valeur quantifiée du plateau de Hall.

En parallèle, un système de micro-photoluminescence (uPL) basé sur une optique à faisceau libre sera développé pour une utilisation en champ pulsé. Les contraintes liées à cet environnement prohibent l’utilisation d’étage à translation piezzo. Le but ultime est de mesurer la photoluminescence de nano-objets individuels, par exemple des nano-rubans de graphène, des nanotubes de carbone, des nano-fils de GaAs, en présence de champs magnétiques pulsés atteignant 80 T. En première approche dans ce projet, des nano-rubans de graphène seront mesurés en champ statiques et pulsés en utilisant les deux systèmes uPL.