Transport quasi-balistique de fermions de Dirac hélicaux de spin dans des fils quantiques d'isolants topologiques

par Valentin Labracherie

Projet de thèse en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Sous la direction de Romain Giraud et de Bernd Büchner.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Université technologique de Dresde , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Spintronique et Technologie des Composants (laboratoire) depuis le 01-05-2018 .


  • Résumé

    Ces dernières années, des nouveaux états électroniques ont été révélés dans les isolants topologiques, possédant des propriétés de transport uniques, peu dépendantes d'un désordre non magnétique. Dans des nanostructures (nanofils), le confinement quantique génère de nouveaux états. Malgré un fort désordre, le transport de fermions de Dirac en surface, dont la texture de spin est hélicale, reste quasi-balistique dans des nano-fils étroits d'isolant topologique 3D, comme démontré dans des fils quantiques Bi2Se3 ou Bi2Te3. Le faible couplage des modes de propagation ouvrent de nouvelles perspectives en transport quantique, que ce soit pour le transport non dissipatif ou pour le filtrage selectif de spins. Le but de ce projet de recherche est d'étudier les propriétés de transport de fils quantiques dans un régime où seuls quelques canaux de conduction sont ouverts (dont un mode parfaitement transmis, protégé topologiquement, est à l'origine des états de Majorana liés dans des jonctions Josephson). Sous champ magnétique appliqué, une transition d'un état hélical vers un état chiral permettrait de créer des canaux de bord non dissipatifs, dans une situation intermédiaire entre l'effet Hall quantique et l'effet Hall quantique anormal.

  • Titre traduit

    Quasi-ballistic transport of spin-helical Dirac fermions in 3D topological insulator quantum wires


  • Résumé

    In recent years, novel electronic states were revealed in topological insulators, with unique transport properties, nearly independent of a non-magnetic disorder. More physics can be unveiled in narrow nanostructures, due to quantum confinement. Despite strong disorder, the transport of surface Dirac fermions, with a helical spin texture, remains quasi-ballistic in narrow nanowires of a 3D topological insulator, as evidenced in Bi2Se3 or Bi2Te3 quantum wires. The weak coupling of spin-helical modes now gives the possibility to control individual quantum states, either with a magnetic flux or an electrostatic gate. The aim of this research project will be to investigate the transport properties of such quantum wires in the regime of a small number of opened channels (down to one, the so-called perfectly-transmitted mode, which is expected to generate robust Majorana bound states in S/TI junctions, due to its topological nature). The magnetic-field induced transition from a helical to a chiral state could also be investigated, to realize 1D dissipationless edge states in simple geometries (an intermediate situation between the Quantum Hall and the Quantum anomalous Hall states).