Quantum coherent phenomena in disordered transition metal dichalcogenide monolayers

par Stefan Ilic

Thèse de doctorat en Physique théorique

Sous la direction de Julia Meyer et de Manuel Houzet.

Le président du jury était Denis Basko.

Le jury était composé de Nicolas Bergeal.

Les rapporteurs étaient Pascal Simon, Adeline Crépieux.


  • Résumé

    Les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) sont des matériaux bidimensionnels découverts récemment. Ils possèdent un fort couplage spin-orbite (SOC) intrinsèque qui agit comme un champ Zeeman effectif perpendiculaire, mais avec des orientations opposées dans chaque vallée située autour des points +K et -K de la zone Brillouin. En présence de désordre, ce SOC influence fortement les phénomènes quantiques cohérents dans les TMDC. Dans cette thèse, nous étudions deux de ces phénomènes : la supraconductivité et les corrections à la conductance dues aux interférences quantiques, telles que la localisation ou l’anti-localisation faible, ainsi que les fluctuations universelles de la conductance.Une supraconductivité a été identifiée expérimentalement dans plusieurs TMDC, aussi bien dans les régimes dopés n (MoS2, WS2) que p (NbSe2, TaS2). Dans ces matériaux, le SOC intrinsèque provoque un "appariement d'Ising" inhabituel des paires de Cooper. En effet, celles-ci sont formées avec des électrons provenant de vallées opposées, donc leurs spins sont figés perpendiculairement à la couche. Un champ magnétique appliqué parallèlement à la couche n’est donc pas efficace pour briser les paires de Cooper par l'effet paramagnétique, ce qui entraîne une augmentation considérable du champ critique dans le plan. C’est la signature principale de la supraconductivité d'Ising. Dans la première partie de ce travail, nous calculons le champ critique et la densité des états dans les TMDC supraconducteurs désordonnés. Nous montrons que la diffusion intra-vallée n'affecte pas ces propriétés. En revanche, elles dépendent fortement de la diffusion inter-vallée qui produit un mécanisme de brisure des paires de Cooper. Dans les supraconducteurs Ising dopés p, dans lesquels plusieurs bandes croisent le niveau de Fermi, nous identifions la diffusion inter-bande comme un autre mécanisme important de brisure des paires. Nous montrons qu'une faible diffusion inter-vallée ou inter-bande peut expliquer les observations expérimentales dans les supraconducteurs TMDC dopés n ou p, respectivement.Dans la deuxième partie de ce travail, nous calculons les corrections à la conductance dues aux interférences quantiques dans les TMDC métalliques. Leur mesure peut servir de sonde indépendante pour identifier la nature du SOC et du désordre. En raison de l'interaction entre la structure de la vallée et le SOC, ces matériaux présentent un riche comportement de localisation (ou anti-localisation) faible et des fluctuations universelles de la conductance, qui sont qualitativement différents des autres systèmes bidimensionnels, comme les métaux conventionnels ou le graphène. Nos résultats peuvent également être utilisés pour décrire les hétéro-structures graphène/TMDC, dans lesquelles le SOC est induit dans la couche de graphène. Nous discutons différents régimes de paramètres qui permettent d’interpréter des expériences récentes et d’évaluer l’intensité du SOC et du désordre. En outre, nous montrons qu'un champ Zeeman dans le plan peut être utilisé pour distinguer les contributions de différents types de SOC à la localisation ou l’anti-localisation faible.

  • Titre traduit

    Phénomènes quantiques cohérents dans les monocouches désordonnées de dichalcogénures de métaux de transition


  • Résumé

    Transition metal dichalcogenide monolayers (TMDCs) are recently discovered two-dimensional materials. They host a strong intrinsic spin-orbit coupling (SOC), that acts as an effective Zeeman field with opposite, out-of-plane orientations in the +K and –K corners of the Brillouin zone (valleys). This SOC, and its interplay with disorder, strongly influences the behavior of quantum coherent phenomena in TMDCs. In this thesis, we investigate two such phenomena: superconductivity and interference corrections to the conductance, which include weak (anti-) localization and universal conductance fluctuations.Several superconducting TMDCs have been experimentally found in both n-doped (MoS¬2, WS2) and p-doped (NbSe2, TaS2) regimes. Here, the intrinsic SOC causes unusual “Ising pairing” of the Cooper pairs, formed of electrons from opposite valleys with strongly pinned out-of-plane spins. In-plane magnetic fields are thus not efficient in breaking the Cooper pairs by the paramagnetic effect, which results in a large enhancement of the in-plane upper critical field – the main signature of Ising superconductivity. In the first part of this work, we calculate the upper critical field as well as the density of states of disordered superconducting TMDCs. We show that intravalley scattering does not affect these properties, but that they strongly depend on intervalley scattering, which provides a depairing mechanism. In p-doped Ising superconductors, where multiple bands cross the Fermi level, we identify interband scattering as another important mechanism. We show that weak intervalley and interband scattering can explain experimental observations in n- and p-doped TMDC superconductors, respectively.In the second part of this work, we calculate the interference corrections to the conductance in the normal state of TMDCs, which can serve as an independent probe of SOC of disorder. Because of the interplay between valley structure and SOC, these materials exhibit a rich behavior of weak (anti-) localization and universal conductance fluctuations, which is qualitatively different from other two-dimensional systems such as conventional metals or graphene. Our results can also be used to describe graphene/TMDC heterostructures, where SOC is induced in the graphene sheet. We discuss parameter regimes that can be used to interpret recent experiments and assess the strength of SOC and disorder. Furthermore, we show that an in-plane Zeeman field can be used to distinguish contributions of different kinds of SOC to the weak (anti-) localization.


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