Effet Hall Quantiques de spin dans les matériaux III-V

par Colin Avogadri

Projet de thèse en Physique et Astronomie

Sous la direction de Benoit Jouault et de Frederic Teppe.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) depuis le 30-09-2019 .


  • Résumé

    L'effet Hall quantique (EHQ) permet d'obtenir des valeurs de résistance très reproductibles qui ne dépendent que de constantes physiques fondamentales : la constante de Planck h et la charge électronique e. Les étalons de résistance électriques modernes sont tous basés sur l'EHQ, ont une précision relative excellente et sont l'un des piliers métrologiques de notre industrie. En pratique, la condition la plus limitante pour réaliser l'EHQ est d'appliquer un champ magnétique intense qui, malheureusement, ne peut être produit qu'en laboratoire. Par conséquent, une question se pose aux physiciens : est-il possible d'atteindre l'EHQ en absence d'un champ magnétique ? La réponse est oui. La condition nécessaire pour induire un effet Hall est de rompre l'invariance par inversion du temps, qui peut être obtenue soit par un champ magnétique externe (donnant l'effet Hall ordinaire), soit par un ferromagnétisme intrinsèque (donnant l'effet Hall anormal). Dans le premier cas, un champ magnétique intense conduit à une quantification de la résistance. Par analogie, l'effet Hall anormal devrait également être quantifié dans les systèmes 2D avec ferromagnétisme intense, donnant lieu à un effet Hall quantique anormal (EHQA), c'est-à-dire un EHQ sans champ magnétique externe. L'EHQA n'était qu'une belle récréation théorique, jusqu'à la découverte du graphène, qui conduisit à des conceptions révolutionnaires. Les physiciens comprirent que certains matériaux devenaient isolants à cause du couplage entre le spin de l'électron et son mouvement, sauf sur les bords. Ce phénomène est appelé l'effet Hall quantique de spin (EHQS) et le matériau hôte correspondant est appelé un isolant topologique (IT). Expérimentalement, la quantification de la résistance dans un IT est médiocre, parce l'EHQS correspond en fait à la superposition de deux copies d'EHQA et ces deux copies interfèrent. En ajoutant du ferromagnétisme, on supprime une de ces deux copies et on obtient un EHQA, bien plus robuste, susceptible d'être un étalon de résistance électrique. Du moins en théorie. En 2010, il fut théoriquement prédit que l'EHQA pouvait être obtenu après une inversion de bande provenant du ferromagnétisme induit dans les couches minces d'IT. En 2013, l'EHQA fut finalement observé dans des couches minces de (Bi, Sb)2Te3 dopées chrome. Depuis, il y eut plusieurs observations d'EHQA dans le même matériau hôte (Bi, Sb)2Te3 dopé avec des atomes de chrome ou de vanadium. Une bonne précision relative de la résistance quantifiée a été obtenue dans ces expériences, mais encore trop éloignée des exigences métrologiques. De plus, toutes les observations expérimentales ont été réalisées uniquement à des températures extrêmement basses (30 à 100 mK). C'était inattendu, car les températures métrologiques théoriques sont beaucoup plus élevées. Ces basses températures interdisent encore les applications potentielles. Notre proposition veut relever un défi crucial pour les communautés tant de la physique de la matière condensée que de la science des matériaux, des points de vue théorique et expérimental : comment observer l'EHQS et l'EHQA et comment augmenter la température pour ces effets. Pour ce faire, nous adopterons une approche novatrice car nous n'utiliserons pas les films minces (Bi, Sb)2Te3. Au lieu de cela, nous utiliserons les puits quantiques InAs/GaSb III-V produit dans un laboratoire régional, l'I.E.S. En effet, il a été récemment proposé que l'EHQA peut être réalisé dans une hétérostructure de semi-conducteur basée sur des puits quantiques InAs / GaSb de type II dopés en manganèse. InAs et GaSb sont tous deux des semi-conducteurs du groupe III-V. De manière remarquable, ces structures possèdent également les caractéristiques clés permettant l'apparition de l'EHQA: i) on peut réaliser une structure à bandes inversées; ii) la phase isolante ferromagnétique est possible dans les puits quantiques InAs/GaSb magnétiquement dopés via un paramagnétisme de Van Vleck amélioré à partir du couplage fort entre bandes.

  • Titre traduit

    Quantum spin Hall effet in III-V materials


  • Résumé

    ######ENGLISH VERSION##### The quantum Hall effect (QHE) is used to realize very reproducible resistance values which depend only on fundamental physical constants: the Planck constant h and the electron charge e. The modern quantum Hall resistance standards are all based on the QHE and have an excellent relative precision, better than 1E-9. Practically, the most crucial requirement to realize the QHE is to apply a strong magnetic field, which, unfortunately, can only be produced in the laboratory. Therefore, the question naturally arises: is it possible to achieve the QHE in the absence of a strong magnetic field? The answer is yes. The necessary condition to induce a Hall effect is to break the time-reversal invariance, which can be achieved either by an external magnetic field (giving the ordinary Hall effect) or by intrinsic ferromagnetism (giving the anomalous Hall effect). In the 2D limit, the strong magnetic field leads to Landau-level quantization and QHE effect. Therefore, the anomalous Hall effect is also expected to become quantized in 2D systems with ferromagnetism, giving rise to a quantum anomalous Hall effect (QAHE), i.e.: a QHE without external magnetic field. The AQHE was only a nice theoretical recreation, until the graphene discovery, which led to revolutionary concepts. Kane and Mele pointed out that spin-orbit opens a gap in graphene, which harbor two QAHE copies with opposite spins. This gives rise to quantum spin Hall effect (QSHE) and the corresponding host material is called a topological insulator (TI). Simultaneously, Bernevig et al. suggested band inversion in semiconductors to realize QSHE. Experimentally, the resistance quantization of the QSHE appeared to be poor, because of the backscattering between the two QAHE copies. The experimental observation of the QAHE further requires the elimination of one of the two QAHE copies inside the TI, e.g. by adding ferromagnetism. In 2010, it was theoretically predicted that the QAHE can be achieved after a band inversion that originates from the ferromagnetism in 3D TI thin films. In 2013, the QAHE was finally observed in Cr-doped (Bi, Sb)2Te3 thin films. Since then, there have been several observations of the QAHE in the same host materials of (Bi, Sb)2Te3 doped with Cr or V atoms. A good relative precision of the quantized resistance was obtained in these experiments (1E-6), but still very far from the metrological requirements. Moreover, all the experimental observations were achieved at extremely low temperatures only (30–100 mK). This was unexpected, as the theoretical gaps are much larger. These low temperatures also prohibit potential applications. Our proposal will take up a critical challenge for the communities of both condensed matter physics and materials science, from both the theoretical and experimental sides: how to observe QSHE and QAHE and how to raise the temperature for these effects. To do this, we will take an innovative approach as we will not consider (Bi, Sb)2Te3 thin films. Instead, we will use InAs/GaSb III-V quantum wells. Indeed, it was recently proposed that QAHE can be realized in diluted magnetic semiconductor heterostructure based on Mn-doped type II InAs/GaSb quantum wells. Both InAs and GaSb are III-V group semiconductors. Remarkably, these structures also possess the key features allowing the appearance of QAHE: i) one can tailor an inverted band structure; ii) the ferromagnetic insulating phase is possible in magnetically doped InAs/GaSb quantum wells via enhanced Van Vleck paramagnetism from the strong interband coupling.