Laboratoire Charles Coulomb UMR 5221 CNRS/UM2 (L2C)

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Quel est l’état fondamental du graphène au point de neutralité de charge et en régime d’effet Hall quantique ?

par Christelle EVE - publié le

Le but de ce stage est de trouver des indices supplémentaires sur la nature de l’état fondamental du graphène près du point de neutralité de charge en fort champ magnétique. Cet état sera sondé via des mesures de transport électronique conventionnelles et non-locales (en température de 300 mK à 300K, en champ magnétique jusqu’à 12 T incliné par rapport à l’échantillon).

Poste :
Le/La stagiaire réalisera dans les premiers temps des expériences de dopage par différentes méthodes afin de s’approcher du point de neutralité de charge. Les dispositifs seront ensuite testés, toujours en transport, mais cette fois dans un cryostat dédié aux mesures à basse température et en fort champ magnétique.

Profil du candidat :
Nous recherchons un/une stagiaire motivé(e) et dynamique, intéressé(e) par les expériences électriques, la physique du solide, et en particulier l’étude des propriétés électroniques de nouveaux matériaux (nanoscience, physique mésoscopique). 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). Il existe déjà une demi-bourse pour continuer dans le cadre d’une thèse sur ce sujet.

Projet et contexte :
Le graphène est un feuillet de graphite épais d’un atome de carbone seulement. Il présente une structure de bande bidimensionnelle unique où les bandes de conduction et de valence se touchent en deux points nonéquivalents de la première zone de Brillouin (appelé point de neutralité de charge). Celles-ci forment des vallées
pour les porteurs de charge dont la relation de dispersion est linéaire. Cela donne lieu à un remarquable effet Hall quantique (QHE) en présence d’un fort champ magnétique. Dans ce régime, la majeure partie de l’échantillon est isolante, et le courant circule le long de canaux qui suivent les bords de l’échantillon, formant ce que l’on nomme des états de bord chiraux. La structure de ces états est déterminée par la compétition entre dégénérescence de spins et de vallées qui peuvent être levées sous suffisamment fort champ. Au point de neutralité de charge, les états de bords liés aux électrons et aux trous peuvent à priori cohabiter et se propager dans des sens différents, ce qui complexifie la nature de l’état fondamental. En fait, la théorie et les dernières expériences montrent que, en fonction du champ magnétique, de l’angle d’inclinaison par rapport à l’échantillon, la concurrence entre les effets Zeeman et de vallée peuvent conduire soit à une phase antiferromagnétique (AF) purement isolante où aucun canal de bord ne circule autour de l’échantillon, soit à un effet Hall quantique de spin (QSHE) où les canaux de bord avec spins opposés se propagent dans des directions opposées [1,2].

Le but de ce stage est de trouver des indices supplémentaires sur la nature de l’état fondamental du graphène près du point de neutralité de charge, en fort champ magnétique. Cet état sera sondé via des mesures de transport conventionnelles et non-locales (en température de 300 mK à 300 K, en champ magnétique jusqu’à 12 T incliné par rapport à l’échantillon). Nous utiliserons principalement des structures à base de graphène sur carbure de silicium. Ces échantillons ont plusieurs qualités intrinsèques : ils peuvent être de grandes taille, sont assez homogènes et peuvent ainsi être utilisé en métrologie de l’effet Hall quantique [4] – ce qui signifie que, au moins loin du point de neutralité de charge, le graphène est parfaitement isolant. Près du point de neutralité de charge, nous avons récemment montré que le désordre est non négligeable et perturbe la nature intrinsèque du graphène [3]. Finalement, des mesures non-locales déjà effectuée au point de neutralité de charge dans ces échantillons montrent sans ambiguïté que des tensions électriques apparaissent très loin des points d’injection du courant, ce qui peut s’interpréter soit par des courants de spin, soit par des courants de chaleur, soit par la persistance d’états de bord qui se propagent dans les deux sens. Des mesures complémentaires sont nécessaires pour mieux interpréter ces résultats.

Bibliographie :
[1] M. Kharitonov, Phys. Rev. B 86, 075450 (2012).
[2] A. F. Young et al., Nature 505, 528-532 (2014).
Publications récentes du groupe :
[3] A. Nachawaty et al., Phys. Rev. B 96, 075442 (2017). M. Yang et al., Phys. Rev. Lett. 117, 237702 (2016).
[4] R. Ribeiro-Palau et al., Nature Nanotech. 10, 965-972 (2015).

Encadrants :

Benoit Jouault : benoit.jouault@umontpellier.fr

Sébastien Nanot : sebastien.nanot@umontpellier.fr


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