Diamagnétisme et paramagnétisme orbital singulier dans le graphène

Singular orbital diamagnetism and paramagnetism in graphene

• Auteur / Autrice : Jorge Vallejo Bustamante
• Direction : Meydi Ferrier, Hélène Bouchiat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/02/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Claude Chapelier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Balestro, Giovanni Vignale, Christophe Mora, Nedjma Bendiab
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Balestro, Giovanni Vignale

Mots clés

Mots clés contrôlés

Susceptibilité magnétique

Magnétorésistance

Paramagnétisme

Aimantation

Diamagnétisme

Graphène

Mots clés libres

Graphène

Orbital

Diamagnétisme

Paramagnétisme

Gmr

Graphene

Orbital

Diamagnetism

Paramagnetism

Gmr

Résumé

Le graphène est un des matériaux les plus étudiés dans la matière condensée en raison de ses propriétés surprenantes liées à sa relation de dispersion linéaire. Une de ces propriétés est la susceptibilité orbitale divergente diamagnétique au point de Dirac. Cette caractéristique, qui est une signature étonnante de la phase anormale de Berry égale à π dans le graphène, avait été prédite plusieurs décennies auparavant, mais il a été difficile de la mesurer au niveau d'une monocouche unique. Une autre prédiction passionnante concerne le magnétisme orbital des cristaux 2D en général. L'existence d'une susceptibilité paramagnétique orbitale divergente a été prédite. Ces singularités sont attendues aux points selle de la structure de bandes. Pour réaliser nos expériences, nous avons utilisé une nouvelle technique qui implique des sondes de magnétorésistance géantes (GMR) très sensibles en combinaison avec le contrôle du potentiel chimique par une modulation de la grille. Nous avons ainsi réussi à mesurer la susceptibilité diamagnétique orbitale singulière dans le graphène monocouche, pour la première fois au niveau d'une monocouche unique. Nous avons également mesuré la susceptibilité paramagnétique orbitale singulière du graphène dans un superpotentiel moiré qui provient de l'alignement du graphène et du nitrure de bore. Nous présentons également les résultats préliminaires de la susceptibilité orbitale du graphène bicouche AB, et son évolution lorsqu'un champ électrique perpendiculaire est appliqué. Nos résultats ouvrent une nouvelle voie pour explorer le magnétisme orbital et les courants orbitaux dans les matériaux 2D. Cette expérience devrait également permettre complémenter l'étude des particularités de la géométrie de la structure de bande des cristaux 2D, en particulier les anomalies de phase de Berry ou les points selle, ou révéler l'existence de courants de boucle balistique le long des bords des isolants topologiques 2D.

Graphene is one the most studied materials in condensed matter because of its astonishing properties related to its linear dispersion relation. One of these properties is the diamagnetic divergent orbital susceptibility at the Dirac point. This characteristic, which is a striking signature of the anomalous π Berry phase in graphene, was predicted many decades before, but it has been challenging to measure at a single-flake level. Another exciting prediction concerns the orbital magnetism of 2D crystals in general. The existence of a divergent orbital paramagnetic susceptibility has been predicted. These singularities are expected at the saddle points of the band structure. To realize our experiments he have used a new technique that involves highly sensitive giant magneto-resistant (GMR) probes in combination with chemical potential control through a gate modulation. By the means of this technique, we have measured the singular orbital diamagnetic susceptibility in monolayer graphene, for the first time at single-flake level. We have also measured the singular orbital paramagnetic susceptibility in graphene in a moiré superpotential that comes from the alignment of graphene and boron nitride. We also present the preliminary results of the orbital susceptibility of AB bilayer graphene, and its evolution when a perpendicular electric field is applied.Our results open a new way to explore the orbital magnetism and currents in 2D materials. This experiment should also complement the investigation of the particularities of the geometry of the band structure of 2D crystals, particularly Berry phase anomalies or saddle points, or reveal the existence of ballistic loop currents along the edges of 2D topological insulators.