Investigation de la supraconductivité mésoscopique et de l'effet Hall quantique par microscopie à balayage tunnel à basse température

Investigation of mesoscopic superconductivity and quantum Hall effect by low temperature Scanning Tunneling Microscopy

• Auteur / Autrice : David Wander
• Direction : Clemens Winkelmann, Hervé Courtois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 12/09/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Balestro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandra Palacio Morales, Wulf Wulfhekel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefan Heun, Christophe Brun

Mots clés

Mots clés libres

Supraconductivité

Effet Hall quantique

Microscopie à balayage tunnel

Basse température

Superconductivity

Quantum Hall effect

Scanning tunneling microscopy

Low temperature

Résumé

Depuis son développement dans les années 1980, le microscope à effet tunnel (STM) est devenu un outil indispensable à la physique de la matière condenée. Il offre une combinaison d'informations topographiques et spectroscopiques à résolution atomique inaccessibles par d'autres moyens. Ces dernières années, des STM à ultra-basse température travaillant à des températures de l'ordre du millikelvin ont été développés pour résoudre des échelles d'énergie de plus en plus petites. Dans ma thèse, j'ai construit un tel dispositif fonctionnant à une température effective de 160mK dans un réfrigérateur de 50mK. De plus, le dispositif est équipé d'une chambre de préparation sous ultravide fonctionnant à 2e-10mbar pour le contrôle de la surface de l'échantillon à un niveau atomique.Après avoir étalonné ce système, je montre sa première application sur une monocouche épitaxiale de NbSe2, un matériau abritant une supraconductivité d'Ising exotique et constituant une excellente plateforme pour l'étude de la supraconductivité dans la limite bidimensionnelle. En combinaison avec des superstructures magnétiques, une supraconductivité topologique sous forme de modes zéro de Majorana est prédite. Étant topologiquement protégés de la décohérence, ces états sont des candidats prometteurs pour l'informatique quantique topologique.Enfin, je présente une autre étude STM à basse température portant sur les ordres de symétrie brisée de l'effet Hall quantique dans le graphène. Sous un fort champ magnétique, les électrons sont forcés de se placer dans des bandes plates, ce qui annule leur énergie cinétique. Les interactions entre électrons peuvent alors induire une grande variété d'états de symétrie brisée avec des differents ordres topologiques et spatiales. La nature de l'état fondamental réalisé dans les systèmes d'échantillons standard est inconnue et fait l'objet d'un débat intense depuis plus d'une décennie, car toutes les preuves proviennent de mesures indirectes du transport. Dans notre étude, nous exploitons la possibilité de cartographier localement la fonction d'onde du système, combinée à des mesures spectroscopiques, pour identifier sans ambiguïté l'ordre de l'état fondamental. Nous démontrons en outre la possibilité d'explorer le diagramme de phase au moyen d'un écrantage de l'interaction coulombienne induit par le substrat.

Since its development in the 1980s, the scanning tunneling microscope (STM) has become a workhorse in solid state physics. It offers a combination of atomically resolved topographical as well as spectroscopic information inaccessible by other means. In recent years, ultra-low-temperature STMs working at millikelvin temperatures have been developed to resolve smaller and smaller energy scales. In my thesis I built such a setup operating at an effective temperature of 160mK in a 50mK refrigerator. Additionally the setup is equipped with an ultra-high-vacuum preparation chamber operating at 2e-10mbar for controlling the sample surface on an atomic level.After benchmarking this system, I show its first application on epitaxial monolayer NbSe2, a material hosting exotic Ising superconductivity and being a great platform for investigating superconductivity in the two-dimensional limit. In combination with magnetic superstructures, topological superconductivity in form of Majorana zero modes is expected to arise. Being topologically protected from decoherence, these states are promising candidates for topological quantum computing.Finally, I discuss another low-temperature STM study investigating the quantum Hall broken-symmetry orders in graphene. Under strong magnetic field, electrons are forced into flat bands which quenches their kinetic energy. Electron interactions can then induce a large variety of broken-symmetry states with distinct topological and lattice-scale orders. The nature of the ground state realized in standard sample systems has been unknown and intensely debated fore more than a decade since all evidence stemmed from indirect transport measurements. In our study we exploit the ability to locally map the system’s wave function combined with spectroscopic measurements to unambiguously identify the ground state order. We furthermore demonstrate the ability to explore the phase diagram by means of substrate-induced screening of the Coulomb interaction.