Interférométrie en régime d'effet Hall quantique dans le graphène balistique

par Corentin Deprez

Projet de thèse en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Sous la direction de Benjamin Sacepe.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) et de Matière Condensée, Matériaux et Fonctions (equipe de recherche) depuis le 21-11-2017 .


  • Résumé

    Le graphène est un matériau bidimensionnel ayant suscité beaucoup d'intérêts depuis sa découverte en 2005. Grâce à sa structure de bande linéaire sans gap, les électrons s'y comportent comme des fermions de Dirac sans masse, ce qui a permis de découvrir un grand nombre de propriétés de transport électronique inédites et particulièrement intéressantes. Par ailleurs, il est possible de fabriquer des dispositifs nano-électroniques dans le graphène de très haute mobilité au sein duquel les électrons se déplacent de façon balistique. Ceci fait de ce matériau un candidat idéal pour étudier de nouveaux phénomènes de cohérence et d'interactions quantiques ainsi que les effets Hall quantiques entier et fractionnaire. En régime d'effet Hall quantique, le transport des électrons s'effectue le long de canaux de conduction unidimensionnels qui apparaissent aux bords de l'échantillon. En utilisant des grille électrostatiques, il est possible de contrôler leur trajectoire, de modifier la figure d'interférences mais aussi de réaliser des constrictions (quantum point contacts) qui agissent comme des miroirs semi-réfléchissants pour les paquets d'ondes électroniques. En utilisant deux QPC, on peut alors créer un analogue électronique de l'interféromètre de Fabry-Pérot pour les canaux de bords. L'analyse des interférences électroniques apparaissant en mesurant la résistance dans ces dispositifs permet alors de d'étudier les propriétés des quasiparticules formant les canaux de bords et de révéler les spécificités du régime d'effet Hall fractionnaire (charge fractionnaire, statistiques particulières, etc.) Au cours de cette thèse, l'étudiant apprendra la technique du pick-up de Van der Walls pour fabriquer des dispositifs à l'état de l'art dans le graphène de haute mobilité, réalisera des interféromètres de Fabry-Pérot en régime d'effet Hall quantique et effectuera des mesures dans le but de mettre en avant les phénomènes d'interférences quantiques. Pour étudier le régime d'effet Hall quantique et pour étudier la physique des interféromètres, des mesures à bas niveau de bruit, basses températures (10 mK obtenus via un réfrigérateur à dilution) et à fort champ magnétique (18 T) seront réalisées. Des efforts de recherche particuliers seront apportés à deux aspects principaux, à savoir, l'étude des propriétés de l'effet Hall quantique fractionnaire dans les interféromètres et l'interaction entre l'effet Hall et la supraconductivité.

  • Titre traduit

    Quantum Hall interferometry in high mobility graphene


  • Résumé

    Graphene is a 2D material that has attracted a huge interest since its discovery in 2005. Its gapless linear band structure that mimics massless Dirac fermions has led to the discovery of a wealth of new exciting transport properties. Moreover, the possibility to engineer very high mobility graphene devices in which electrons can travel in a ballistic fashion makes graphene the perfect playground to investigate new quantum coherent phenomena and interaction effects in the integer and fractional quantum Hall regimes. In the quantum Hall effect, electron transport is confined in one-dimensional channels that propagate along the edges of the sample. The use of electrostatic gate electrodes enables the control of their path to modify the interference pattern, and also the realization of constrictions (quantum point contacts) that act as semireflecting mirrors for electron wave packets. These two basics elements are the keys to engineer quantum Hall Fabry-Pérot interferometers. They allow to probe the exotic features of the quasiparticles forming the edge channel via the analysis of the quantum interferences appearing in the resistance measurement. During the PhD, the student will learn the van-der Waals pick-up technique used to make high mobility graphene devices, create Quantum Hall Fabry-Pérot interferometers and carry out measurements on state-of-the-art devices to unveil quantum interferences. To enter the quantum Hall regime and study the physics of quantum Hall interferometers, low-noise quantum transport measurements will be performed at very low temperature (~10mK, dilution fridge) and high magnetic field (18T). Efforts will be focused on two important objectives, namely investigating the nature of the fractional quantum Hall effect with interferometers, and the interplay between the quantum Hall effect and superconductivity.