laboratoire pierre aigrain
électronique et photonique quantiques
 
laboratoire pierre aigrain
 

Transport dans le graphene

Propositions de thèse et stages de M2


Propriétés dynamiques des Fermions de Dirac dans le graphène et les isolants topologiques.

Responsable : Bernard Plaçais

Projet scientifique : Le groupe de physique mésoscopique du LPA s’intéresse aux propriétés dynamiques du transport quantique dans les systèmes de basse dimensionnalité (gaz bidimensionnels d’électrons dans les semi-conducteurs, nanotubes de carbone, graphène). Le confinement et/ou la cohérence quantique conduisent à des propriétés non classiques du transport qui se manifestent dans la conductance mais aussi dans l’admittance haute fréquence et le bruit.
Le stage concerne le transport AC et le bruit dans le graphène et les isolants topologiques (film de Bi2Te3). Ces deux systèmes ont en commun de posséder des excitations électroniques de masse nulle, les fermions de Dirac. Dans le graphène ils sont dus à la symétrie en nid d’abeille du cristal ; dans les isolants topologiques ils apparaissent en surface et sont dus au fort couplage spin orbite. Il en résulte une structure de bande de type semi-métallique, intermédiaire entre un métal classique et un semi-conducteur. Le transport quantique s’enrichit d’un effet de chiralité qui est dû au spin électronique dans BiTe et au pseudo-spin de sous-réseau dans le graphène. Il s’ensuit une suppression de la rétrodiffusion électronique qui renforce la mobilité, circonstance favorable aux expériences RF. Nos échantillons de graphène sont obtenus par exfoliation du graphite ou par croissance CVD sur métal ; ils sont reportés sur le substrat de mesure. La mobilité électronique dépend de manière essentielle de la rugosité du substrat. Il a été montré récemment que le nitrure de bore hexagonal (hBN) constitue le substrat presque idéal pour des dispositifs balistiques. Une étape de métallisation de contact et de grilles permet de réaliser des dispositifs fonctionnels comme des résistances, des capacités ou des transistors micro-onde.
Le stage porte sur l’étude de l’admittance RF de capaciteurs à base de graphène/hBN et de films BiTe et du bruit de rubans de graphène. On déduira en particulier la constante de diffusion électronique et sa dépendance en énergie. On caractérisera les processus de diffusion inélastique par la suppression du bruit de grenaille à forte polarisation. On réalisera, le cas échéant, des dispositifs graphène balistiques fonctionnant sur le principe du tunneling de Klein.

Techniques utilisées : nano-fabrication en salle blanche, mesures de transport hyper-fréquences et micro-onde, cryogénie.

Qualités du candidat requises : connaissances requises en électronique et physique quantique, goût pour l’expérimentation.

Interaction lumière-matière dans des nano-circuits hybrides.

Responsable : Takis Kontos

Projet scientifique :

Un atome couplé à un oscillateur harmonique est un exemple particulièrement important pour la mesure quantique et les phénomènes d’amplification. Récemment, le développement conjoint de systèmes à deux niveaux artificiels et de cavités micro-ondes de grande finesse a permis de réaliser ce modèle « sur puce ». Cette électrodynamique quantique sur circuit permet en principe d’étudier des circuits de complexité arbitraire. Dans ce contexte, les boîtes quantiques peuvent également être utilisées comme des systèmes à deux niveaux artificiels. Elles peuvent aussi être utilisées pour étudier dans des géométries très contrôlées la physique de fermions fortement corrélés, comme en attestent les études récentes sur l’effet Kondo. Dans l’équipe HQC (Hybrid Quantum Circuits), nous avons récemment mis au point une architecture permettant de coupler un circuit contenant une boîte quantique formée à partir d’un nanotube de carbone mono-paroi à une cavité supraconductrice micro-onde. En nous focalisant sur le régime classique de cette dernière, nous avons mesuré la valeur du couplage mutuel entre systèmes photonique et électronique [1]. Lors de ce stage qui pourra se poursuivre par une thèse, nous étudierons ce système dans le régime de photon unique (à plus basse température). Ceci nous permettra d’étudier notamment comment les photons affectent les électrons piégés dans les nanotubes. Au cours de la thèse, nous transposerons cette architecture à la lame séparatrice à paires de Cooper qui a été récemment développée dans l’équipe HQC [2]. Nos expérimentations mêlerons techniques de cryogénie, de nanolithographie électronique, du vide et de mesures micro-ondes.

[1] M.R. Delbecq et al., arXiv:1108.4371
[2]L.G. Herrmann et al. Phys. Rev. Lett. 104, 026801 (2010).

Techniques utilisées : nanolithographie, mesures micro-ondes, ultra-vide, cryogénie

Synthèse de corrélations supraconductrices exotiques dans des nanostructures.

Responsable : Takis Kontos

Projet scientifique :

Les circuits hybridant la supraconductivité et le ferromagnétisme peuvent présenter de fascinantes corrélations supraconductrices exotiques. Bien qu’un supraconducteur conventionnel soit formé à partir d’états électroniques appariés dans l’état singulet de spin, la mise en contact d’un métal ferromagnétique et d’un métal supraconducteur peut en principe conduire à l’apparition de corrélations de type triplet. Ces corrélations sont cousines de celles observées dans des composés exotiques tels que SrRuO4. Pouvoir les synthétiser puis éventuellement les contrôler dans des structures artificielles de taille submicronique est donc un enjeu important dans la communauté à l’heure actuelle. Plusieurs expériences indirectes très récentes semblent indiquer l’existence de corrélations supraconductrices triplet dans des hétérostructures constituées de deux supraconducteurs séparés par une partie magnétique présentant une aimantation inhomogène. Nous proposons d’observer directement ces corrélations exotiques via la densité d’états qu’il est possible de mesurer par une simple mesure de transport. Nos expérimentations mêleront techniques de basses températures, de nanolithographie électronique, de mesures bas bruit et du vide. Nous nous appuierons sur une proposition théorique très récente réalisée dans le groupe théorie du LPA [1]. Ce stage pourra se poursuivre par une thèse.

[1] A. Cottet, Phys. Rev. Lett. 107, 177001 (2011)

Techniques utilisées : nanolithographie, mesures bas bruit, ultra-vide, cryogénie