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Université Joseph-Fourier - Grenoble I (13/12/2010), Laurent Saminadayar (Dir.)
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Effet Kondo dans des boîtes quantiques couplées latéralement
Yannick David Baines1

L'effet Kondo naît du couplage tunnel entre une impureté magnétique et une mer de Fermi. L'essence de cet état de fortes corrélations électroniques trouve son origine dans la nature non perturbative du couplage d'échange entre le moment local et les électrons de conduction, et qui conduit à la formation d'un état fondamental non magnétique à température nulle. Dans le régime Kondo, toutes les propriétés physiques du système (impureté+réservoir d'électrons) s'expriment en fonction d'une unique échelle d'énergie, la température Kondo TK . Ce caractère universel a été observé dans des métaux contenant une grande quantité d'impuretés magnétiques ainsi que dans des impuretés artificielles comme les boîtes quantiques. Pour être mis en évidence expérimentalement, l'élément tunnel connectant le moment local et le réservoir de Fermi doit être large et l'on réfère souvent au problème Kondo comme à un problème de couplage fort. Les boîtes quantiques latérales offrent de grandes possibilités d' étudier plus en détail l'effet Kondo. En particulier, contraindre la mer de Fermi à une région finie de l'espace et comprendre comment cela influence l'écrantage du moment local, est une question cruciale du problème Kondo. Nous présenterons des mesures de transport à travers une double boîte quantique où une boîte quantique de petite taille jouant le rôle d'impureté magnétique sera couplée à une boîte quantique de grande taille jouant le rôle de réservoir fini. Différentes expériences effectuées dans le régime de couplage fort entre boîtes nous confronterons à la nature multi-niveaux de la grande boîte quantique et montrerons l'importance de considérer l'hybridation de multiples niveaux d'énergie. De plus, nous présenterons des données où le transport à travers le système est médié par des mécanismes de types Kondo impliquant un niveau hybridé entre boîtes. A la dégénérescence de charge des boîtes quantiques, une amplification de la température Kondo résultant de la réduction de l'énergie de charge du système, permet de révéler un singulet Kondo à température finie. En analysant les différentes configurations de spin possibles, nous discuterons la compétition entre deux singulets pouvant être stabilisés dans le système, un singulet de type Kondo et un singulet entre boîtes où les effets à multiples niveaux jouent un rôle important. Nous pensons que la réduction du couplage d'échange entre boîtes due au faible écart entre niveaux d'énergie dans la grande boite quantique explique l'invariance du phénomène observé en ce qui concerne l'occupation de cette même boîte, et ceci à la température électronique de base de notre expérience.
1:  NEEL - Institut Néel
effet Kondo – boîte quantique – blocage de coulomb – spin – energie de Fermi – états moléculaires – transport – microélectronique – nanosciences – nanoélectronique

Kondo physics in side coupled quantum dots
The Kondo effect arises when a single magnetic impurity is tunnel coupled to a Fermi sea. The essence of this highly correlated electron state is found in the non perturbative nature of the exchange interaction between the local moment and the surrounding conduction electrons which leads to a non magnetic ground state at zero temperature. In the Kondo regime all the physical quantities of the system (impurity+electron reservoir) scale with a unique energy being the Kondo temperature TK. This universal character has been observed in metals containing a large number of magnetic impurities and in man made artificial magnets such as quantum dots. To be experimentally observable, the tunneling element connecting the local moment and the Fermi reservoir has to be large and the Kondo problem is often referred to as a strong coupling limit. Laterally defined quantum dots offer great possibilities to investigate further more the Kondo effect. In particular, constraining the Fermi sea to a finite region and studying how this influences the screening of the local moment appears to be a crucial question in the Kondo problem. We will present transport measurements through a double quantum dot where a small quantum dot acting as a magnetic impurity will be tunnel coupled to a large quantum dot being the finite size reservoir. Different experiments performed in the strong inter-dot coupling limit will confront us to the multi level nature of the large quantum dot where hybridization of both objects has to be carried over several energy levels. Furthermore, we will present data where evidences of transport mechanisms through the system are mediated by a Kondo mechanism through an hybridized level of the dots. At the double dot charge degeneracy point, a boosting of the Kondo temperature due to the reduction of the charging energy of the system, enables to reveal a Kondo singlet at finite temperature. By considering the different spin configurations possible in our system, we will discuss the competition between two possible singlet states one can stabilize in the system, a Kondo type singlet and a inter-dot singlet where multi level effects play an important role. We believe that the reduction of the exchange coupling between the two dots due to the small level spacing in the large dot explains the invariance of the phenomenon with respect to the occupation number of the large dot at our base electron temperature.
Kondo effect – quantum dot – Coulomb blockade – spin – Fermi energy – molecular states – transport – microelectronics – nanosciences – nanoelectronics