Propriétés de transport électronique des isolants topologiques

Electronic transport properties of topological insulators

• Auteur / Autrice : Pierre Adroguer
• Direction : Pascal Degiovanni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/02/2013
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent-Patrick Lévy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Degiovanni, Laurent-Patrick Lévy, Christophe Texier, Björn Trauzettel, David Carpentier, Gilles Montambaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Texier, Björn Trauzettel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fermions

Ordre et désordre (physique)

Systèmes mésoscopiques

Mots clés libres

Isolants topologiques

Effet Hall quantique de spin

Physique mésoscopique

Transport électronique cohérent

Systèmes désordonnés

(Anti)localisation faible

Fluctuations universelles de conductance

Fermions de Dirac

Réflection d’Andreev

Topological insulators

Quantum spin Hall effect

Mesoscopic physics

Coherent electronic transport

Disordered systems

Weak (anti)localization

Universal conductance fluctuations

Dirac fermions

Andreev reflection

Résumé

Les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif d’apporter à la physique mésoscopique un éclairage concernant la compréhension des propriétés de transport électroniques d’une classe de matériaux récemment découverts : les isolants topologiques.La première partie de ce manuscrit est une introduction aux isolants topologiques, mettant en partie l’accent sur leurs spécificités par rapport aux isolants "triviaux" : des états de bords hélicaux (dans le cas de l’effet Hall quantique de spin en 2 dimensions) ou de surface relativistes (pour les isolants topologiques tridimensionnels) robustes vis-à-vis du désordre.La deuxième partie propose une sonde de l’hélicité des états de bords de l’effet Hall quantique de spin en étudiant les propriétés remarquables de l’injection de paires de Cooper dans cette phase topologique.La troisième partie étudie la diffusion des états de surface des isolants topologiques tridimensionnels dans le régime cohérent de phase. L’étude de la diffusion, de la correction quantique à la conductance (antilocalisation faible) et de l’amplitude des fluctuations universelles de conductance de fermions de Dirac sans masse est présentée. Cette étude est aussi menée dans la cas d’états de surface dont la surface de Fermi présente la déformation hexagonale observée expérimentalement.

The works presented in this thesis intend to contribute to condensed matter physics in the understanding of the electronic properties of a recently discovered class of materials : the topological insulators.The first part of this memoir is an introduction to topological insulators, focusing on their specifities compared to "trivial" insulators : helical edge states (in the two dimensional quantum spin Hall effect) or relativistic surface states (for three dimensional topological insulators) both robust agiant disorder.The second part proposes a new way to probe the unique properties of the helical edge states of quantum spin Hall effect via the injection of Cooper pair from a superconductor.The third part deals with the diffusion of the three dimensional topological insulator surface states, in the phase coherent regime. The diffusion, the quantum correction to conductivity, and the amplitude of the universal conductance fluctuations are studied. This study is also led in the experimentally relevant case where the Fermi surface presents a hexagonal deformation.