L'effet tunnel des électrons révélé par des photons infrarouges
Publié par Redbran le 14/01/2019 à 14:00
Source: CNRS-INP
Les jonctions métalliques sont des éléments majeurs de tout dispositif électronique intégré et le courant électrique passe au travers de ces jonctions par un effet quantique appelé l'effet tunnel. En démontrant le lien entre les fluctuations du courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces...) et les fluctuations du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les...) des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) qui sont émis par la jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") quand elle est fortement polarisée, les chercheurs ont réussi à mesurer le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de passage des électrons au travers de la jonction qui est de l'ordre d'une femtoseconde.


Figure1
Figure 1: (a) Echantillon dans une configuration "Kretchmann" permettant le couplage entre plasmons de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) et photons optiques. (b) Photographie de la jonction tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont...) en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) (100 µm X 100 µm). (c) Lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.) (λ=0.4 0.9 μm) émise en champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) lointain.Figure 1: (a) Echantillon dans une configuration "Kretchmann" permettant le couplage entre plasmons de surface et photons optiques. (b) Photographie de la jonction tunnel en aluminium (100 µm X 100 µm). (c) Lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) visible (λ=0.4 0.9 μm) émise en champ lointain.

Une jonction métallique se compose de deux conducteurs métalliques séparés par une fine couche nanométrique d'isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et...). C'est l'effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique....) qui permet le passage du courant électrique au travers de la barrière d'isolant, c'est-à-dire la délocalisation des électrons de part et d'autre de la jonction du fait de leur nature quantique. Le temps τ qu'il faut à un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) pour traverser ce type de jonction avait été évalué théoriquement à quelques femtosecondes (τ 10-15 s) mais n'avait encore jamais été mesuré directement. En effet, regarder le courant à des fréquences optiques (ʋ 1⁄τ 1015 hertz) n'est pas possible directement. Or il était connu depuis plus de 40 ans que, lorsqu'elle est fortement polarisée, la jonction émet un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) dans le domaine de l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus...) lié aux fluctuations de courant et aux interactions inélastiques des électrons tunnel. Par une approche réunissant les problématiques du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des...) électronique et de l'émission optique (plasmonique), les chercheurs du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) des solides (CNRS/Université Paris-Sud) à Orsay ont réussi pour la première fois à mesurer directement le temps de passage tunnel des électrons au travers d'une jonction. Ils ont obtenu pour une jonction Al/Al2O3/Al un temps de 1.1 femtoseconde. Pour cela, ils ont modélisé le rayonnement émis en fonction de la tension (La tension est une force d'extension.) aux bornes de la jonction et comparé ce modèle à des mesures optiques, démontrant ainsi précisément les mécanismes à l'origine de l'émission de photons infrarouges. La détection des photons est alors équivalente à une mesure des fluctuations du courant à des fréquences optiques et elle permet de sonder le temps tunnel.

Dans cette étude, les chercheurs ont combiné des mesures de fluctuations du courant électrique dans la gamme des radiofréquences (100 kilohertz) et des mesures de spectroscopie optique dans la gamme du proche infrarouge (entre 0.9 et 1.3 micromètres) pour des régimes de la jonction fortement polarisée (tension de l'ordre du volt). Les mesures électriques ont permis de caractériser finement le transport électronique, en particulier la transmission et les non-linéarités liées à l'effet tunnel, et de vérifier toutes les hypothèses nécessaires à une description théorique (description de Landauer-Buttikker) basée sur la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de...) cohérente d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) électroniques par la barrière tunnel. Ils ont ainsi pu adapter les théories existantes pour généraliser le théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une assertion qui peut être établie comme vraie au travers d'un raisonnement logique construit à partir d'axiomes. Un théorème est à...) "fluctuation-dissipation" et tenir compte de la dépendance en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de la transmission de la barrière, responsable des non-linéarités de la jonction. Les mesures optiques se sont révélées en très bon accord avec les prédictions théoriques basées sur le formalisme de Landauer- Buttikker, ce qui a permis une description précise de la dépendance en tension de l'émission de photons par effet tunnel inélastique.


Figure2
Figure 2: Vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) de l'expérience: une configuration de type "Kretchmann" permet l' émission de photons infra-rouge (λ=0.9 1.3 μm) via la désexcitation des plasmons générés à la surface de la jonction Al|Al_2 O_3 |Al lors du passage tunnel d'électrons. Un système de corrélations croisées permet en parallèle de réaliser des mesures de fluctuations de courant dans la gamme des radio-fréquences (100 kHz) et de caractériser électriquement la jonctio

En faisant le lien entre les jonctions électriques et la plasmonique, ce travail ouvre des perspectives au contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) électrique des plasmons, et par là à la génération d'états corrélés quantiques de plasmons de surface ainsi qu'à l'alternative plasmonique pour la photonique intégrée. Par ailleurs, l'accès à l'étude des fluctuations à la fois dans le domaine optique et microonde permettra d'aborder des questions fondamentales relatives à la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative,...) de la mesure en mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique....).

Références publication:
Tunneling time probed by quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce...) shot noise
Pierre Février et Julien Gabelli
Nature Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles technologies...), ainsi que...) (2018), doi: 10.1038/s41467-018-07369-6

Contact chercheur:
Julien Gabelli, chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
Laboratoire de physique des solides (LPS, CNRS/Univ. Paris-Sud)
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