Dynamique de charges et de spins dans les canaux de bords topologique de l'Effet Hall Quantique de Spin

par Alexandre Gourmelon

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Bernard Placais et de Erwann Bocquillon.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Pierre Aigrain (Paris) (laboratoire) et de Ecole normale supérieure (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2018 .


  • Résumé

    Ces dernières années ont vu l'émergence d'une nouvelle classe de matériaux appelés "isolant topologiques", dotés de propriétés spectaculaires engendrés par la topologie de leurs structures de bandes. Dans ces matériaux, le transport électronique s'effectue via des états localisé au bord du matériau et polarisé en spin, tandis que le bulk reste isolant. En deux dimensions, l'Effet Hall Quantique de Spin (états de bords contrapropageant à champs magnétique nul) tombe dans cette catégorie. Les propriétés extraordinaire qu'offrent ces matériaux ouvrent la voie à d'innovants dispositifs spintroniques dispensés de tout aimants ferromagnétiques. De plus, la robustesse théorique de ces états de bords, font des isolants topologique un support prometteur pour l'information quantique. Cependant, malgré d'immenses efforts, à la fois du côté théorique et expérimentale, ces grandes avancées prédites sont entravés par des défis en terme de fabrication de ces matériaux, et la difficulté d'observer des signaux claires et robustes de phénomènes topologiques. Le principe de cette thèse est l'étude de la dynamique de ces états de bords topologiques. Cette étude se concentrera sur comment les propriétés de charges et de spins sont-elles entremêlés dans les canaux de bords Hall quantique de spin, sous l'effet d'une polarisation de spin et d'interactions coulombiennes. Cela éclaicira les notions, théoriquement prédites, d'hélicité et de protection topologique contre la rétro-diffusion. Les techniques de mesures micro-ondes s'avèrent être un outils très puissant pour étudier ces aspects, au coeur de l'étude de la matière topologique. Dans notre cas nous travaillerons sur des puits quantiques HgTe, système qui jusqu'à aujourd'hui a montré les signatures les plus claires et diverses de phénomènes topologiques en matière condensée.

  • Titre traduit

    Spins and charges dynamic in Quantum Spin Hall Effect topological edge's channels


  • Résumé

    In recent years, a new class of materials called topological insulators has emerged, with spectacular properties inherited from the topological properties of their band structures. Electron transport occurs in these materials via boundary spin-polarized conducting states while the bulk remains insulating. In two-dimensions, the quantum spin Hall effect (counterpropagating edge states at zero magnetic field) fall in this category. The extraordinary properties of these materials have opened prospects for innovative spintronics devices without ferromagnets, and appear as a promising candidate platform for topological quantum computation. Despite immense efforts both on the theoretical and experimental sides, the rise of these new materials and concepts has been hindered by challenges in the fabrication of topological materials, and the difficulty to observe robust and clear signatures of topological phenomena. The purpose of this PhD thesis is to explore the dynamics of topological edge states. The study would focus on how the spin and charge properties intertwine in quantum spin Hall edge channels, under the effect of spin polarization and Coulomb interactions. This will shed light on the helicity and the associated topological protection against backscattering. Microwave techniques offer a very powerful toolbox to explore these aspects, at the heart of the study of topological matter. The implementation of this program relies on HgTe quantum wells, the system that has offered the most clear and diverse signatures of topological phenomena in condensed matter.