New phenomena in high-quality suspended nanotube devices

Abstract

Carbon nanotubes (CNTs) have attracted the attention of the scientific community since their discovery in the 90s. They are an excellent material for the development of research fields as diverse as nanomechanics or quantum transport. Nanotube mechanical resonators are endowed with exceptional properties, including extremely small mass, ultra narrow crosssection, and operation over a large frequency range from 10 kHz to 10 GHz. They are also fantastic sensors of both mass adsorption and forces. Its electric transport properties are remarkably the long ballistic transport of charge carriers, strong electron-electron interaction, and the important role of the spin and valley degrees of freedom. It is possible to observe a wide range of quantum transport phenomena ranging from single-electron tunneling to Kondo physics and Fabry-Pérot interference. It should be noted that the electrical transport and mechanical motion of suspended nanotubes can be coupled by a large amount. In the first part of this thesis, we present an advanced ultra-sensitive fabrication method that allows us to build and functionalize a nanotube cantilever for optical measurements. We grow a platinum particle at the end of the nanotube in order to increase laser reflection. For this, we track the material deposition on the cantilever through the electromechanical coupling with the electron beam during the process. Next, we show electron transport measurements in high-quality devices with high transmission. While high-temperature measurements indicate electron-electron correlations, low-temperature transport characteristics point towards singleparticle Fabry-Perot interference. We observe this effect both by modifying the temperature and by tuning the source-drain voltage. This effect is attributed to the interplay between fluctuations and quantum interactions in a correlated Fabry-Pérot regime. In the last part, we show that it is possible to couple the mechanical movement of the CNT to the electron transport. By applying an electron current through the system, we can either cool or amplify the mechanical motion of the eigenmode. We cooled the nanoresonator down to 4.6+-2.0 quanta of vibration. The instabilities present in electron transport measurements are attributed to self-oscillation induced by the backaction amplification. These effects have an electrothermal origin. This method can be used in the future to cool NEMS into the quantum regime.

Los nanotubos de carbono (CNTs) han suscitado el interés de la comunidad científica desde su descubrimiento en la década de los 90. Son un excelente material para el desarrollo de campos de investigación tan diversos como la nanomecánica o el transporte cuántico. Los resonadores mecánicos de nanotubos están dotados de propiedades excelentes, incluyendo una masa extremadamente pequeña, una sección transversal ultra estrecha, y funcionamiento en un amplio rango de frecuencias de 10 kHz a 10 GHz. También son fantásticos sensores de la absorción de masas y fuerzas. Sus propiedades de transporte eléctrico son notablemente el largo transporte balístico de los portadores de carga, una fuerte interacción electrón-electrón y el importante papel de los grados de libertad de espín y valle. Es posible observar un ancho rango de fenómenos cuánticos que van desde la el efecto tunel de un solo electrón hasta la física de Kondo y la interferencia de Fabry-Pérot. Cabe señalar que el transporte eléctrico y el movimiento mecánico de los nanotubos suspendidos pueden ser acoplados en gran medida. En la primera parte de esta tesis, presentamos un método de fabricación avanzado ultra-sensitivo que nos permite construir y funcionalizar un cantilever de nanotubo para medidas ópticas. Crecemos una partícula de platino en el extremo del nanotubo con el fin de aumentar la reflexión láser. Para ello, rastreamos la deposición del material en el cantilever a través del acoplamiento electromecánico con el haz de electrones durante el proceso. Seguidamente, mostramos medidas de transporte de electrones en dispositivos de alta calidad con una alta transmisi ón. Mientras que las medidas a alta temperatura indican correlaciones electrón-electrón, características de transporte a baja temperatura apuntan hacia interferencia de Fabry-Pérot. Observamos este efecto tanto al modificar la temperatura como al variar el voltaje fuente-drenador. Este efecto se atribuye a la relación entre las fluctuaciones y las interacciones cuánticas en un régimen de Fabry-Pérot correlacionado. En la última parte, mostramos que es posible acoplar el movimiento mecánico del CNT al transporte de electrones. Al aplicar una corriente de electrones a través del sistema podemos enfriar o amplificar el movimiento mecánico del modo propio. Enfriamos el nanoresonador hasta 4.6+-2.0 cuantas de vibración. Las inestabilidades presentes en el transporte de electrones son atribuidas a la autooscilación inducida por la amplificación de retroacción. Estos efectos tienen un origen electrotermal. Este método puede ser usado en el futuro para enfriar NEMS al régimen cuántico