Understanding the physics taking place in coupled one-dimensional systemsis one of the many challenges of modern day condensed matter physics and nanoelectronics. While experimental studies in coupled quantum wires have recently confirmed some of the most striking predictions of Luttinger liquid theory such as spin-charge separation and charge partitioning, much remains to be done prior a complete understanding of one-dimensional physical phenomenons is achieved, especially in the field of one-dimensional Coulomb drag. In this thesis, I report our experimental study of one-dimensional Coulomb drag between quantum wires coupled at the nanoscale. The quantum wires are coupled in a vertical geometry, allowing the wires to be separated by a hard barrier only 15 nm wide and providing us with the possibility to study Coulomb drag in a regime never achieved previously. Our study of the 1D subband dependency of Coulomb drag shows an oscillation of the drag resistance (RD) with 1D subband occupancy. Peaks in the drag signal are observed concomitant with the opening of 1D subbands in either wire, regardless of 1D subband alignment between the wires, and a novel high electronic density re-entrant negative regime for RD is observed. These findings are not fully understood within the current theoretical momentum-transfer models for Coulomb drag between quantum wires. However, some of the predictions of a charge-fluctuation induced model for 1D Coulomb drag in mesoscopic circuits are consistent with our observations and raise questions as to whether mesoscopic physics play an important role in one-dimensional Coulomb drag. The temperature dependence of the drag resistance is also presented in the one-dimensional regime where both wires have no more than a single 1D subband occupied. As the temperature is reduced below the Fermi temperature TF , a decrease in RD and a subsequent upturn is observed in three different devices at T* ∼ 1.6 K, flagging a regime where RD increases with decreasing T (verified down to ∼ 75 mK). This upturn in the drag resistance andthe diverging drag resistance at the lowest temperatures is consistent with expectations from Tomonaga-Luttinger liquid models of 1D quantum wires ,potentially validates models including forward scattering corrections and is a strong sign that interaction effects and momentum-transfer play an important role in one-dimensional Coulomb drag. A crucial step for the future of electronic nano-devices is the development of doped shallow two-dimensional electron gases (2DEGs). In an effort towards this goal, we have also studied scattering mechanisms in shallow 2DEGs in parallel to our Coulomb drag experiment. In this endeavor, we achieved the fabrication of 2DEGs as shallow as 60 nm deep with a mobility in excess of 1×10^5 cm^2/ V · s and determined that scattering of intentional remote charged impurities is the dominant scattering mechanism in samples 130 nm deep and shallower. / La compréhension de la physique prenant place dans les sysèmes unidimensionels couplés est un des nombreux défis auxquels la physique de la matière condensée moderne et la nano-électronique sont confrontées. En dépit du fait que certaines études portant sur des fils quantiques couplés aient confirmé certaines des prédictions les plus fascinantes de la théorie des liquides de Luttinger tels que la séparation des spins et des charges ainsi que la partition des charges, beaucoup reste à faire avant qu'une compréhension complète des phénomènes prenant naissance dans les systèmes unidimensionels ne soit atteinte, surtout en ce qui a trait à la traînée de Coulomb unidimensionnelle. Dans cette thèse, nous rapportons l'étude expérimentale de la traînée de Coulomb unidimensionnelle entre des fils quantiques couplés à l'échelle nanométrique. Les fils quantiques sont couplés dans une géométrie verticale permettant aux fils d'être séparés par une barrière large de seulement 15 nm, nous donnant ainsi l'occasion d'étudier la traînée de Coulomb dans un régime jamais exploré auparavant. Les résultats de notre étude de la dépendance de la traînée de Coulomb avec le niveau d'occupation des sous-bandes unidimensionnelles des fils quantiques montrent une oscillation de la résistance de la traînée de Coulomb (RD) en fonction du nombre de sous-couches occupées dans les fils quantiques. Des maximums dans RD sont observés simultanément à l'ouverture de sous-bandes unidimensionnelles dans l'un ou l'autre des fils et un nouveau régime de RD négatif et résurgent est observé à haute densité. Ces observations ne sont pas complètement expliquées par les modèles actuels expliquant la traînée de Coulomb par un transfer de quantité de mouvement. Toutefois, certaines prédictions des modèles expliquant l'émergence de la traînée de Coulomb unidimensionnelle par un échange de fluctuations sont en accord avec nos résultats et soulèvent des doutes à savoir si la physique mésoscopique joue un role dans l'émergence de la traînée de Coulomb unidimensionnelle. La dépendence en température de la résistance de la traînée de Coulomb est également présentée dans le régime unidimentionel où les fils ont au plus une seule sous-bande de populée. Alors que la température est abaissée sous la température de Fermi, une diminution de RD est observée, suivie d'un renversement de cette tendence. Ce renversement est observé dans trois dispositifs distincts à une température T* ∼ 1.6 K et marque une transition vers un régime où RD augmente alors que la température diminue (mesuré jusqu'à ∼75 mK). La présence de ce renversement et d'une divergence de RD à basse température est en accord avec les prédictions de la théorie des liquides de Tomonoga-Luttinger pour des fils quantiques unidimentionels, confirment potentiellement les modèles incluant des corrections pour des faibles valeurs de transfer de quantité de mouvement et suggèrent fortement que les interactions et le transfer de quantité de mouvement sont importants dans l'émergence de la traînée de Coulomb unidimensionnelle. Une étape cruciale pour le futur développement de nano-dispositifs électroniques est la création de puits quantiques peu profonds et dopés. Dans l'espoir d'atteindre cet objectif, nous avons étudié les mécanismes de diffusion dans des puits quantiques peu profonds en parallèle à notre étude de la traînée de Coulomb unidimensionnelle. Au cours de cet effort, nous sommes parvenus à fabriquer des puits quantiques situés seulement 60 nm sous la surface avec une mobilité supérieure à 1 × 10^5 cm^2/ V · s et nous avons déterminé que ladiffusion par les impuretés ionisées volontairement insérées dans la structure est le mode de diffusion dominant dans les puits quantiques profonds de moins de 130 nm.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.121182 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Laroche, Dominique |
| Contributors | Guillaume Gervais (Supervisor1), Michael Lilly (Supervisor2) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses |
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