Optique et plasmonique des fermions de Dirac dans les dispositifs hyperfréquences à base de graphène

Dirac fermion optics and plasmonics in graphene microwave devices

• Auteur / Autrice : Holger Graef
• Direction : Bernard Plaçais, Edwin Hang Tong Teo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 19/09/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Nanyang Technological University (Singapour)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Noël Fuchs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cesare Soci, Rebeca Ribeiro-Palau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cory Raymond Dean, Javier Garcia de Abajo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoélectronique

Fermions

Plasmas microondes

Résonance plasmonique de surface

Optique quantique électronique

Hall quantique, Effet

Propriétés électroniques

Graphène

Mots clés libres

Graphène

Transport balistique

Optique électronique

Plasmonique

Microondes

Effet Hall quantique

Bruit

Fermions de Dirac

Graphene

Ballistic transport

Electron optics

Plasmonics

Microwaves

Quantum Hall effect

Noise

Dirac fermions

Résumé

Cette thèse porte sur trois phénomènes différents dans les propriétés de transport électronique du graphène balistique: D'abord, la réflexion totale interne des électrons est étudiée dans un réflecteur coin défini par des électrodes de grille. On démontre des effets d'optique électronique géométrique et cohérente. Le dispositif est sensible à la diffusion par les phonons. On l'utilise pour démontrer la faisabilité d'expériences d'optique de fermions de Dirac en régime hyperfréquences, envisageant des mesures du temps de vol des phonons. Deuxièmement, nous utilisons des condensateurs graphène à effet de champs pour étudier les plasmons de grande longueur d'onde avec un analyseur de réseau. Une résonance est observée à 40 GHz, correspondant à un plasmon d'une longueur d'onde de 100 μm. Ce résultat constitue un pas important vers la réalisation de dispositifs plasmoniques résonnants et vers l'étude des plasmons dans des super-réseaux bipolaires. Enfin, nous étudions la rupture de l'effet Hall quantique entier dans un échantillon de graphène bicouche. Le transport en courant continu et le bruit à 5 GHz démontrent que le champ de rupture intrinsèque peut être atteint. Sa signature est un décollage brutal du bruit, avec un facteur de Fano superpoissonien. Comme mécanisme de rupture, nous proposons l'instabilité des magnetoexcitons.

This thesis addresses three different phenomena in the DC and GHz electronic transport properties of ballistic, hBN-encapsulated graphene: Firstly, the total internal reflection of electrons is investigated in a gate-defined corner reflector. Both geometric and coherent electron optics effects are demonstrated and the device is shown to be sensitive to minute phonon scattering rates. It is then used as a proof-of-concept for GHz electron optics experiments in graphene, paving the way for phonon time-of-flight measurements. Secondly, we introduce top-gated graphene field-effect capacitors as a platform to study ultra-long wavelength plasmons with a vector network analyzer. We simultaneously measure resistivity, capacitance and kinetic inductance. A resonance is observed at 40 GHz, corresponding to a plasmon of 100 µm wavelength. This result sets a milestone for the realization of resonant plasmonic devices and the investigation of plasmon propagation in bipolar superlattices. Finally, we move our attention to the quantum Hall breakdown in a bilayer graphene sample. DC transport and GHz noise measurements show that the elusive intrinsic breakdown field can be reached in graphene. Its signature is an abrupt increase of noise, with a super-Poissonian Fano factor. A magnetoexciton instability is proposed as the origin of breakdown.