Limite d'Anderson et états de bords topologiques

Anderson limit and topological edge states

• Auteur / Autrice : Tianzhen Zhang
• Direction : Hervé Aubin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/09/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d’étude des matériaux (Paris ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Claude Pasquier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Aubin, Claude Pasquier, Laurent Saminadayar, Claude Chapelier, Pascale Diener
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Saminadayar, Claude Chapelier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Josephson, Jonctions

Topologie

Supraconductivité

Mots clés libres

Topologie

STM

Jonction Josephson

Supraconductivité

Topological

STM

Josephson junction

Supraconductivity

Résumé

Cette thèse décrit la fabrication de systèmes hybrides basés sur le semi-conducteur InAs et leur étude par spectroscopie STM et la mesure de jonctions Josephson. Dans une première expérience, je montre que des nanocristaux (NC) de plomb (Pb) supraconducteurs de haute qualité peuvent être réalisés sur la surface (110) d'InAs. Lorsque la taille latérale des NC est inférieure à la longueur d'onde de Fermi du gaz d'électrons bidimensionnel accumulé à la surface de InAs, les NC ne sont que faiblement couplés à ce gaz électronique et se retrouvent donc dans le régime de blocage de Coulomb. Ce phénomène a permis la première étude de l'effet de parité supraconducteur par spectroscopie STM, que nous avons utilisée pour vérifier la validité de la limite d'Anderson. Dans une seconde expérience, je montre que des NC de Bismuth (Bi) de haute qualité peuvent également être réalisés sur la surface (110) d'InAs. Contrairement aux NC de Pb, une couche de mouillage de Bi sépare les NC de la surface InAs, conduisant à un fort couplage entre les NC de Bi et le substrat. A partir de la spectroscopie STM, nous avons identifié des états de bord sur le plan (111) des NC avec une symétrie C3. En supposant que le bismuth est un isolant topologique de second ordre comme suggéré théoriquement, les états de bords observés peuvent être interprétés naturellement comme les états de charnière prédits dans cette dernière théorie de bande topologique.

This thesis describes the fabrication of hybrid systems based on the narrow-gap semiconductor InAs and their study through STM spectroscopy and measure of the Josephson characteristics. In the first experiment, I show that high quality superconducting Lead (Pb) nanocrystals can be grown on the (110) surface of InAs. When the lateral size of the Pb nanocrystals is smaller than the Fermi wavelength of the two-dimensional electron gas accumulated at the surface of InAs, the nanocrystals are only weakly coupled to this electron gas and, consequently, are found in the regime of Coulomb blockade. This phenomenon enabled the first study of the superconducting parity effect through STM spectroscopy, which we employed to check the validity of the Anderson limit. In the second experiment, I show that high quality Bismuth (Bi) nanocrystals can also be grown on the (110) surface of InAs. In contrast to Pb nanocrystals, a wetting layer of Bi separates the nanocrystals from the InAs surface, leading to a strong coupling between the Bi nanocrystals and the substrate. From STM spectroscopy, we have identified edge-states on the (111) plane of the nanocrystals with C3 symmetry. Assuming that Bismuth is a 2nd order topological insulator as suggested theoretically, the observed edge-states can be interpreted naturally as the hinge-states predicted in this last topological band-theory. Finally, I will present the methods that I developed for the fabrication of hybrid Josephson junctions on bulk InAs and InAs/GaSb heterostructures, together with preliminary measurements of Josephson characteristics.