Laboratoire Charles Coulomb UMR 5221 CNRS/UM2 (L2C)

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Effet Hall quantique de spin dans des couches minces

par Christelle EVE - publié le , mis à jour le

Résumé :
Le but de ce stage (et potentiellement de la thèse s’ensuivant) est d’étudier la structure de bande et la qualité des états de bords à champ nul dans de nouveaux matériaux à base de semiconducteurs II-VI et III-V. Il a récemment été démontré que ces matériaux présentent une phase topologique bidimensionnelle. Dans cette phase, un matériau isolant dans le « volume » présente des états de bords quantifiés conducteurs se formant à champ magnétique nul, c’est l’effet Hall quantique de spin. Les états de bord seront sondés via des mesures de transport électronique conventionnelles et non-locales et la structure de bande plus complète sera sondée par magnéto-spectroscopie térahertz (de 2 à 150 K et 0 à 16 Teslas).

Poste :
La/le stagiaire discutera de l’optimisation des structures de bande et de la fabrication des échantillons avec les chercheurs impliqués. Les matériaux seront obtenus en interne au laboratoire et par le biais de plusieurs collaborations nationales et internationales. L’étudiant participera à la nanofabrication des échantillons au sein de la Centrale de Technologie de Montpellier, ainsi qu’à leur caractérisation. Il sera responsable d’une part des mesures de THz et infrarouge moyen en fonction de la température (2 – 150 K) et du champ magnétique (jusqu’à 16 T) ; et d’autre part, des mesures électroniques en température sur des systèmes cryogéniques variés (260 mK à 300 K) avec des champs magnétiques allant jusqu’à 13 T.

Profil du candidat :

Nous recherchons un/une stagiaire motivé(e) et dynamique, intéressé(e) par la physique expérimentale et plus particulièrement par les mesures électroniques et optiques, ainsi que la nanofabrication. Une formation et un goût pour la physique du solide, et en particulier l’étude des propriétés électroniques de nouveaux matériaux (nanoscience, physique mésoscopique) seront appréciés. A la fin du stage il/elle aura acquis des compétences en physique expérimentale, mesures de petits signaux, cryogénie, et traitement des données (Matlab, Origin). Les deux équipes impliquées recherchent activement des financements pour prolonger ce sujet dans le cadre d’une thèse.

Projet et contexte :
Depuis le développement du concept de phases topologiques dans les années 80 pour expliquer l’effet Hall quantique, celles-ci ont attiré de plus en plus l’attention de la communauté scientifique en matière condensée. Divers matériaux présentant de telles phases seront étudiés par le doctorant. La complémentarité des expertises au sein de l’axe Physique Appliquée, entre la spectroscopie Térahertz (THz) et le transport électronique, est reconnue. Le lien fort entre ces deux approches expérimentales repose particulièrement sur l’étude de « la matière de Dirac » (semi-métaux de Dirac et isolants topologiques). Les résultats de l’axe publiés récemment sur des isolants topologiques (HgCdTe, InAs/GaSb) [1] ou sur le graphène pour la métrologie [2] et la photodétection THz [3] démontrent que de tels sujets nécessitent une étude fine de la structure de bande de ces matériaux par spectroscopie THz, combinée à la mise en évidence de leurs propriétés de conductions originales liées aux états de bords par des mesures de magnétotransport.
L’étude portera sur les puits quantiques à base de semi-conducteurs II-VI et III-V possédant des gaps topologiques suffisamment élevé pour y observer des propriétés de transport exotiques au-dessus de 4K. Le doctorant étudiera en détails ces échantillons afin de déterminer leurs propriétés physiques pouvant à terme être exploitées dans des composants THz ou métrologiques.

Bibliographie :

Publications récentes du groupe :
[1] Kristophenko S., et al., Phys. Rev. B, 97, 245419 (2018). Kadykov A., et al., Phys. Rev. Lett. 120, 086401 (2018).
[2] A. Nachawaty et al., Phys. Rev. B 98, 045403 (2018). A. Nachawaty et al., Phys. Rev. B 96, 075442 (2017). R. Ribeiro-Palau et al., Nature Nanotech. 10, 965-972 (2015).
[3] G. Auton, et al., NanoLett. 17, 7015-7020 (2017)

Encadrants :
Equipes Térahertz & SMC
Sébastien Nanot
Benoit Jouault
Frederic Teppe


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