Interféromètres en graphène et dynamique des magnons dans les régimes de l'effet Hall quantique

Graphene Edge Interferometers and Magnon Dynamics in Quantum Hall Regimes

• Auteur / Autrice : Quentin Bénichou
• Direction : Preden Roulleau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/09/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Anthore
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thibaut Jonckheere, Julien Renard, Christopher Bäuerle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thibaut Jonckheere, Julien Renard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effet hall quantique fractionnaire

Magnons

Effet Aharonov-Bohm

Interféromètres

Optique quantique électronique

Graphène

Ondes de spin

Mots clés libres

Interféromètre électronique de Mach-Zehnder

Jonction pn en Graphène

Effet Aharonov-Bohm

Effet Hall Quantique Entier et Fractionnaire

Vallée-Tronique

Magnons

Electron Mach-Zehnder Interferometer

Graphene PN junction

Aharonov-Bohm Effect

Integer and Fractional Quantum Hall Effect

Valleytronics

Magnons

Résumé

Depuis la découverte de l'effet Hall quantique dans les années 1980, les propriétés exotiques des états quantiques topologiques comme les charges fractionnaires et les anyons ont profondément renouvelé notre compréhension du transport électronique en deux dimensions. Malgré des prédictions théoriques solides, les expériences permettant de sonder la nature ondulatoire et les mécanismes d'interaction de ces quasiparticules restent limitées. Si le bruit de grenaille a permis de mesurer leur charge effective, l'observation de leur comportement interférentiel nécessite des dispositifs plus complexes, tels que les interféromètres quantiques. Dans ce contexte, cette thèse étend au régime fractionnaire l'utilisation des interféromètres Mach-Zehnder quantiques à base de graphène, déjà démontrés dans le régime de l'effet Hall quantique entier. Pour cela, des avancées importantes en nanofabrication ont été réalisées : les grilles métalliques ont été remplacées par des grilles en graphite séparées par des tranchées de moins de 80 nm de largeur, et les contacts de bord ont été optimisés grâce à un dopage par grille en silicium. Cette architecture a permis de réaliser les premières interférences quantiques pour l'état ν = 2/3 et d'en extraire des informations sur la reconstruction de la structure de ses canaux de bords, sa polarisation en spin et sa décohérence sous effet thermique et excitation DC. Dans le régime entier, nous avons démontré la levée de la dégénérescence entre les deux boucles Mach-Zehnder de spins opposés, révélant un comportement analogue à celui d'un système de gomme quantique d'un interféromètre dont la cohérence est supprimée par la mesure de l'autre. Plus largement, la cohérence est sensible aux interactions coulombiennes entre canaux de bord que nous avons observées être responsables d'appariement électronique au sein d'un seul canal. Une géométrie modifiée a également permis de séparer la contribution du canal interne de celle du canal externe à ν = 2, en explorant leur interaction mutuelle pouvant servir à générer des états intriqués à deux électrons de spin opposé. Enfin, nous avons exploité le régime ferromagnétique à ν = 1 pour générer et détecter des magnons (ondes de spin), dont nous avons étudié la propagation. En plaçant une région adjacente à ν = 1 + ε, nous avons mis en évidence la formation de skyrmions, confirmée par la diffraction des magnons à travers la constriction dopée à la grille en silicium.

Since the discovery of the quantum Hall effect, new states of matter featuring phenomena such as fractional charge and anyons, have transformed our understanding of two-dimensional electronic transport. However, no single experimental platform can fully characterize these exotic quasiparticles. While shot noise has enabled measurements of their particle-like properties, interferometric techniques are essential for accessing their wave-like behavior and potential non-Abelian statistics. This thesis extends quantum Hall interferometry in graphene, a platform known for its high coherence length, into the fractional quantum Hall regime, building on earlier work with Mach-Zehnder interferometers operating at integer filling factors. Key advancements include a nanofabrication architecture based on patterned graphite gates separated by sub-80 nm trenches and edge-contact engineering via silicon back-gate doping, enabling the first Aharonov-Bohm interference measurements at ν = 2/3 in our device. These results allowed us to extract the spin polarization and edge structure of the fractional state and investigate its decoherence behavior under temperature variations and DC bias. Returning to the integer regime, we demonstrated the breakdown of surface degeneracy in opposite-spin interferometers, each consisting of a pair of co-propagating edge channels along a pn-junction. We observed a “quantum eraser” behavior, in which the coherence of one interferometer is suppressed by measurement on the other. More generally, coherence is sensitive to inter-channel Coulomb interactions that we observed to be a source of electron pairing. A novel geometry enabled independent probing of inner and outer edge channels, revealing their mutual dephasing interaction and distinct interference signatures under bias voltage that we might utilize for generating two-electron entangled states. In the ferromagnetic quantum Hall regime at ν = 1, we investigated magnon emission and diffraction. By tuning a downstream region to ν = 1 + ε, we accessed a regime where skyrmion formation was indicated by directional changes in spin wave propagation crossing the silicon-doped constriction, enabling a magnon diffraction experiment and offering insights into the spin textures.