Spectroscopie tunnel des canaux de bord de l’effet Hall quantique – QUEST

De nombreux phénomènes quantiques ont émergé en physique du solide grâce aux progrès continus en micro et nanofabrication qui permettent d’étudier des systèmes électroniques en dimension réduite. Ceci est particulièrement vrai dans les systèmes bidimensionnels tels que les puits quantiques d’hétérostructures semiconductrices, le graphène ou les isolants topologiques, pour lesquels les effets Hall quantiques (EHQ) entier et fractionnaire apparaissent sous champ magnétique perpendiculaire. La compréhension des propriétés de transport dans ces états de Hall quantique repose sur la formation aux bords du système de canaux conducteurs, unidimensionnels et insensibles au désordre, dits états de bord de l’EHQ. Ce régime unique de transport électronique guidé le long des bords d’un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG) offre une plateforme idéale pour manipuler et contrôler les effets de cohérence quantique des électrons ainsi que les effets d’interaction inter-électrons. Pour autant, la structure spatiale et le spectre d’énergie de ces états de bord n’ont jamais été révélés à ce jour, en raison principalement de la nature enterrée des 2DEGs induits dans les hétérostructures semiconductrices usuelles.
L’objectif de ce projet est d’étudier à l’échelle locale par microscopie et spectroscopie à effet tunnel la structure spatiale des états de bord de l’EHQ ainsi que le couplage entre l’EHQ et supraconductivité. Nous utiliserons le graphène comme 2DEG directement accessible en surface afin de réaliser une investigation pionnière par spectroscopie tunnel du transport électronique normal et supraconducteur dans les états de bord de l’EHQ. Un microscope hybride AFM-STM (Microscope à Force Atomique et Microscope à Effet Tunnel) fonctionnant dans les conditions de température et de champ magnétique requises pour cette physique, c’est-à-dire en dessous de 0.1 kelvin et jusqu’à 16 teslas, sera développé et permettra d’accéder aux bords d’un échantillon de graphène où les états de bord de l’EHQ se forment. La spectroscopie tunnel à balayage sera alors utilisée pour imager spatialement ces états de bord et sonder leur spectre d’excitations électroniques. Cette approche inédite ouvrira un nouveau champ d’investigation de la physique à l’échelle locale de l’EHQ. Par ailleurs, elle nous permettra d’étudier l’effet de proximité supraconducteur se développant dans ces états de bord lorsque le graphène en régime d’EHQ est contacté avec des électrodes supraconductrices supportant un fort champ magnétique. L’étude d’un tel régime reste, à ce jour, particulièrement difficile à aborder par les méthodes standards de magnéto-transport et il est clair que notre technique locale de spectroscopie tunnel à balayage apportera un éclairage décisif sur sa compréhension.