Issue Ann. Phys. Fr. Volume 29, Number 2-3, 2004 Page(s) 1 - 271 DOI http://dx.doi.org/10.1051/anphys:2005001

Ann. Phys. Fr., Vol. 29, N°2-3 2004, pp. 1-271
DOI: 10.1051/anphys:2005001

Étude expérimentale de la transition métal-isolant en dimension deux

R. Leturcq<sup>1, 2

1</sup>  Service de Physique de l'Etat Condensé, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
²  Solid State Physics Laboratory, ETH Hönggerberg, HPF E9, 8093 Zürich, Suisse.

Abstract - Experimental investigation of the metal-insulator transition in two dimensions.
One can make a two-dimensional electron system with a tunable electronic density in semiconductor heterostructures at low temperature. At low density, the theory predicts that electron correlations should overcome the quantum fluctuations, leading to a correlated electronic state such as the Wigner crystal. In real systems, disorder can lead to a much intricate problem: the recent observation of a metal-insulator transition has raised the question of interactions and disorder in two dimensions. This study concerns transport and resistance fluctuations measurements, at very low temperature in two-dimensional hole gases formed in GaAs and SiGe quantum wells. The high effective mass and low density in these systems lead to strong interactions that cannot be neglected any more. In the most disordered samples (SiGe), where transport can be explained in the independent particles' approximation, electric field effects are due to carriers heating. On the contrary, in less disordered samples (GaAs), transport laws as a function of the temperature and the electric field at low density can be related to transport in the case of a collective state. In GaAs samples, resistance fluctuations measurements, or 1/f noise, demonstrate the existence of a phase transition at low density. These results are compatible with scenarios predicting that the Wigner transition with disorder could be a percolation transition.

Résumé
Dans des hétérostructures semiconductrices à basse température, il est possible de réaliser des systèmes d'électrons purement bidimensionnels de densité électronique variable. À basse densité, la théorie prédit que les corrélations entre électrons dominent les fluctuations quantiques, conduisant à un état collectif tel le cristal de Wigner. Dans les systèmes réels, la présence de désordre rend la situation plus complexe : l'observation récente d'une transition métal-isolant, non prévue par les théories d'électrons indépendants, pose la question de la compétition entre les interactions et le désordre en dimension deux. Ce travail présente des mesures de transport en fonction du champ électrique, et des mesures de fluctuations de résistance, à très basse température dans des gaz bidimensionnels de trous formés dans des puits quantiques SiGe et GaAs. Dans ces systèmes, la masse effective élevée des porteurs et la faible densité permettent d'atteindre un régime pour lequel les interactions ne sont plus négligeables. Dans les échantillons désordonnés (SiGe), pour lesquels les lois de transport peuvent être expliquées dans le cadre de particules indépendantes, les effets de champ électrique sont dus au chauffage des porteurs. Par contre, dans les échantillons moins désordonnés (GaAs), les lois de transport en température et en champ électrique à très faible densité sont en accord avec l'existence d'une phase collective. Dans les échantillons GaAs, les mesures de fluctuations de résistance, ou bruit en 1/f, montrent l'existence d'une transition de phase à basse densité. Ces résultats sont compatibles avec les scénarios de formation d'une phase collective en présence de désordre par l'intermédiaire d'une transition de percolation.

© EDP Sciences 2004

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