Application de l'effet Hall quantique dans le graphène pour la métrologie

par Jérémy Brun-Picard

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Dominique Mailly.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 02-03-2015 .


  • Résumé

    Une manifestation spectaculaire de la Physique de Dirac dans le graphène est l'observation possible de l'effet Hall quantique (EHQ) à température ambiante. Cette propriété résulte de l'écart entre les énergies des premiers niveaux de Landau, beaucoup plus élevé que dans le GaAs/AlGaAs, jusqu'alors matériau de choix pour la mise en œuvre de l'effet quantique. Il est donc possible d'espérer développer avec le graphène un étalon quantique de résistance électrique qui pourrait surpasser, par des conditions expérimentales plus pratiques, son homologue en GaAs/AlGaAs, actuellement utilisé dans les instituts nationaux de métrologie pour réaliser l'ohm avec une précision de 10-9 en valeur relative. La première démonstration d'un dispositif en graphène présentant toutes les propriétés d'un étalon quantique de résistance idéal, fonctionnant avec une exactitude à l'état de l'art et avec des conditions expérimentales de champ magnétique plus faible, de température plus élevée et de courant plus élevés a été faite récemment au laboratoire dans des échantillons de graphène de haute qualité obtenu par dépôts chimique en phase vapeur (propane/hydrogène) sur substrats de carbure de silicium. La thèse se concentre sur le développement d'un étalon de résistance en graphène fonctionnant à un champ magnétique encore plus faible (1 T) et à haute température (T> 4 K), dans des conditions compatibles avec des systèmes à faible coût, simple, compact et sans hélium liquide. Un autre objectif important concerne la réalisation d'un test d'universalité de l'effet Hall quantique par la comparaison entre GaAs/AlGaAs et le graphène, avec une incertitude record de l'ordre de 10-12. Progresser dans la compréhension de la physique de ces dispositifs à effet Hall quantique en graphène est aussi un enjeu de la thèse. Les travaux portent en pratique sur l'étude de la physique de l'EHQ à faible densité de porteurs de charge dans plusieurs types d'échantillons de graphène produits par des collaborateurs extérieurs, par dépôt chimique en phase vapeur sur le métal ou SiC, ou par sublimation de SiC, ainsi que la réalisation de mesures électriques précises et bas bruit.

  • Titre traduit

    Quantum Hall effect in graphene for metrology


  • Résumé

    One spectacular manifestation of the Dirac Physics in graphene is a very robust quantum Hall effect that survives even at room temperature. This property, due to an energy spacing between the first Landau levels much higher than in GaAs/AlGaAs, gives hope to develop a quantum resistance standard that could surpass in terms of convenience its GaAs/AlGaAs counterpart, currently used in National Metrology Institutes (NMIs) to reproduce the ohm with accuracy to within one part per billion. The first experimental evidence of an ideal primary quantum resistance standard based on graphene with state of the art accuracy and operating in much relaxed conditions of magnetic field, temperature and current was recently given in our lab with high quality graphene grown by propane/hydrogen chemical vapor deposition on silicon carbide. The PhD thesis is focused on the development of an ultimate graphene device operating in further relaxed conditions: lower magnetic field (approaching 1 T) and high temperature (> 4 K), fully compatible with low-cost, compact and simple cryogen-free setups. Another main objective is also the realization of a fundamental universality test of the QHE by the way of a comparison of GaAs/AlGaAs and graphene with an ultra-low accuracy within a few parts in 10-12. Completing the understanding of the underpinning physics of this robust graphene QHE is also a target. Practically speaking, the efforts will be concentrated on the investigation of the QHE physics at low charge carrier density in several types of graphene (produced in the frame of external collaborations by chemical vapor deposition on metal and besides, on SiC, as well as produced by sublimation of SiC) and the realization of low noise and accurate electrical measurements.