Ref HAL: hal-04304454_v1
DOI: 10.1109/irmmw-thz57677.2023.10299006
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Résumé:

Graphene is a quantum spin Hall insulator, with a nontrivial topological gap induced by the spin-orbit coupling. Such splitting is weak (~45µeV) in the absence of external magnetic field. However, due to rather long spin-relaxation time, graphene is an attractive candidate for applications in quantum technologies. When it is encapsulated in hexagonal boron nitride, the coupling between graphene and the substrate compensates intrinsic spin-orbit coupling and decreases the nontrivial topological gap, which may lead to phase transition into a trivial band insulator state. In this work, we have measured experimentally the zero-field splittings in monolayer and bilayer graphene by the means of subterahertz photoconductivity-based electron spin resonance technique. The dependance in temperature of such splittings have been also studied in the 2-12K range. We observed a decrease of the spin splittings with increasing temperature. Such behavior might be understood from several physical mechanisms that could induce a temperature dependence of the spin-orbit coupling. These includes the difference in the expansion coefficients between the graphene and the boron nitride substrate or the metal contacts, the electronphonon interactions, and the presence of a magnetic order at low temperature.

Ref HAL: hal-04606821_v1
DOI: 10.1007/s10762-023-00905-6
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Ref HAL: tel-04486230_v2
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Résumé:

L’interaction spin-orbite est un effet relativiste qui couple le déplacement de l’électron à son spin. Ce couplage suscite de grands intérêts dans la physique du solide. En effet, ce couplage permet une propagation de l’information via le spin des électrons et non plus seulement par leur charge, comme c'est le cas en microélectronique traditionnelle. Cette nouvelle approche, plus qu’une simple amélioration des performances, est donc un changement même du support de base de l’information. De nombreuses applications pratiques ont été envisagées. La maîtrise du couplage spin-orbite permettrait le développement de nouveaux systèmes spin-électroniques, ou 'spintroniques', répondant aux enjeux de réduction de consommation d’énergie, par exemple. A plus long terme encore, le contrôle du spin électronique permettrait aussi le codage l’information via une superposition d’état, ce qui ouvrirait la voie à la réalisation de bits quantiques (par analogie au bit binaire d’un ordinateur “classique”) réalisés en matière condensée. De cet intérêt pour le couplage spin-orbite a émergé ces dernières années le sujet des isolants topologiques bidimensionnels, où isolants à effet Hall quantique de spin. Ces isolants particuliers ont été réalisés à partir de matériaux à fort couplage spin-orbite.Les premières réalisations de tels isolants ont été obtenues avec des semi-conducteurs de la famille II-VI. Ces isolants ne survivent alors qu'à très basse température, de l’ordre du Kelvin, à cause de particularités de la structure de bande des II-VI. Cela a motivé notre recherche de nouveaux matériaux candidats pour l’observation de l’effet Hall quantique de spin à plus haute température. Je me suis intéressé lors de ma thèse à des structures à base d’InAs/GaSb, car en plus des prédictions théoriques et premières démonstrations de la validité de ces structures pour l’observation de l’effet Hall quantique de spin, la croissance et la fabrication de dispositifs à base de ces semi-conducteurs III-V est plus répandue que pour les II-VI.Dans le premier chapitre, je présente une revue des travaux récents autour des isolants topologiques, depuis l'émergence de ce sujet avec le graphène jusqu'au début de ce travail. Je développe également les concepts théoriques à la base des expériences présentées dans cette thèse. Dans le chapitre 2, je développe les détails expérimentaux et présente les différentes croissances à base d'InAs/GaSb étudiées. Je détaille également les procédés de fabrication des dispositifs réalisés à partir de ces mêmes croissances. Le chapitre 3 est consacré aux mesures de magnéto-transport pour les différents dispositifs. Je démontre la validité des calculs théoriques de la structure de bande en montrant une nette augmentation de la taille de la bande interdite pour les structures à base d'InAs/GaSb, ainsi que l'existence d'une conduction de bord dont les propriétés sont compatibles avec le caractère topologique attendu pour ces structures.

Ref HAL: hal-04388092_v1
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Commentaires: Laboratoires du consortium: CEA-Leti IEMN LPENS IMS L2C

Ref HAL: hal-04304349_v1
DOI: 10.1109/irmmw-thz57677.2023.10298862
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Résumé:

We report on the emission of Terahertz radiation from Landau quantized Dirac electrons in HgTe/CdHgTe based quantum wells. We show that this cyclotron emission is continuously tunable with magnetic field from 500 GHz up to 2.5 THz. Moreover, given the relativistic nature of charge carriers, the cyclotron mass and therefore the emitted frequency are also tunable with the electron density. These results pave the way for the long-awaited Landau laser which could additionally be tunable by a gate voltage with a fixed magnetic field.

Ref HAL: hal-04304435_v1
Ref Arxiv: 2308.13440
DOI: 10.48550/arXiv.2308.13440
Ref. & Cit.: NASA ADS
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Résumé:

By using the self-consistent Born approximation, we investigate disorder effect induced by shortrange impurities on the band-gap of a seminal two-dimensional (2D) system, whose phase diagram contains trivial, single-band-inverted and double-band-inverted states. Following the density-ofstates (DOS) evolution, we demonstrate multiple closings and openings of the band-gap with the increase of the disorder strength. Calculations of the spectral function describing the quasiparticles at the Γ point of the Brillouin zone evidence that the observed band-gap behavior is unambiguously caused by the topological phase transitions due to the mutual inversions between the first and second electron-like and hole-like subbands. We also find that an increase in the disorder strength in the double-inverted state always leads to the band-gap closing due to the overlap of the tails of DOS from conduction and valence subbands.

Ref HAL: hal-04304313_v1
DOI: 10.1063/5.0168578
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Résumé:

Two-dimensional Dirac fermions in HgTe quantum wells close to the topological phase transition can generate significant cyclotron emission that is magnetic field tunable in the terahertz frequency range. Due to their relativistic-like dynamics, their cyclotron mass is strongly dependent on their electron concentration in the quantum well, providing a second tunability lever and paving the way for a gate-tunable, permanent-magnet Landau laser. In this work, we demonstrate the proof-of-concept of such a back-gate tunable THz cyclotron emitter at a fixed magnetic field. The emission frequency detected at 1.5 T is centered at 2.2 THz and can already be electrically tuned over 250 GHz. With an optimized gate and a realistic permanent magnet of 1.0 T, we estimate that the cyclotron emission could be continuously and rapidly tunable by the gate bias between 1 and 3 THz, that is to say on the less covered part of the THz gap.