Contribution à la théorie du transport quantique : isolants topologiques à base de graphène et phénomènes à fréquence finie

Contribution to the theory of quantum transport : graphene-based topological insulator and finite-frequency phenomena.

• Auteur / Autrice : Oleksii Shevtsov
• Direction : Xavier Waintal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/10/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Service de Physique Statistique, de Magnétisme et de Supraconductivité
• Jury : Président / Présidente : Frank W. J. Hekking
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Waintal, Vincent Bouchiat, Fabio Pistolesi, Stephan Roche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mark oliver Goerbig, Christophe Mora

Mots clés

Mots clés libres

Transport quantique

Fréquence finie

Graphène

Couplage spin-orbite

Effets Hall

Quantum transport

Finite frequency

Graphene

Spin-orbit coupling

Hall effects

Résumé

Les évolutions rapides du marché des composants électroniques font apparaître de nombreux challenges pour la conception et la fabrication de ces derniers. Lorsque ces éléments deviennent plus petits, leur comportement se complexifie à mesure que de nouveaux phénomènes, liés aux effets d'interférence, entrent en jeu. Comprendre ces derniers nécessite le développement d'outils théoriques avancés. Dans ce contexte cette thèse est consacrée au transport électronique quantique dans des systèmes multi-terminaux. Dans la première partie on développe un formalisme général, utilisant les fonctions de Green de Keldysh, pour le transport électronique quantique dans des systèmes multi-terminaux en présence de perturbations oscillantes. Nous sommes capable d'exprimer toute obervable AC en termes de fonctions de Green à l'équilibre et des self-énergies des contacts. Ceci fait de notre formalisme un outil pratique pour toute une variété de perturbations à fréquence finie. Dans la seconde partie on présente l'idée d'induction d'un fort couplage spin-orbite dans le graphène en déposant à sa surface un certain type d'atomes lourds. Le graphène devient alors un isolant topologique. Nous avons ensuite étudié l'évolution de la phase topologique avec un champ magnétique externe. Une transition entre la phase de Hall quantique et la phase de Hall quantique de spin a été identifiée dans le même système en variant seulement la position du niveau de Fermi. Nous avons montré qu'une hétérojonction entre ces deux phases donnait lieu à un nouveau type d'état chiral à l'interface.

Rapidly changing market of electronic devices sets up a lot of challenges for the manufacturing and design technologies. When electronic circuit elements get smaller, the device behavior becomes increasingly complicated as new physical phenomena due to quantum interference effects come into play. Understanding of the latter necessitates development of advanced theoretical tools. In this thesis we investigate quantum electron transport in multiterminal devices. In the first part making use of the Keldysh Green's functions we develop a general framework for electron quantum transport in multi-terminal systems in the presence of oscillating fields. We are able to express any AC observable in terms of stationary Green's functions and leads self-energies, which makes our formalism a practical numerical tool for a variety of possible finite-frequency perturbations. In the second part we investigate theoretically a proposal to induce strong spin-orbital coupling in graphene by functionalizing its surface with certain type of heavy adatoms. In this case graphene becomes a topological insulator. Then we investigate the evolution of this topological phase in external magnetic field. We were able to see a unique transition between quantum Hall and quantum spin Hall phases in the same system by only varying the position of the Fermi level. A heterojunction between these two phases was shown to give rise to a new type of a chiral state at the interface between the latter.