États hélicoïdaux et fermions de Majorana dans des nanostructures topologiques – TOPONANO

Le concept mathématique de topologie appliqué à la matière condensée s’est avéré très intéressant pour mieux comprendre les propriétés de transport de certains matériaux. Cette description a été à l’origine de la découverte de nouveaux états de la matière appelés isolants topologiques. Ces derniers sont isolants dans le volume du matériau, mais possèdent des états de bord métalliques. Leur structure de bande est dominée par l’interaction spin-orbite et est caractérisée par un ou plusieurs invariants topologiques qui les distinguent des isolants de bande traditionnels. A deux dimensions, ils donnent naissance à l’effet Hall quantique de spin et sont caractérisés par des états de bord unidimensionnels et polarisés en spin dits hélicaux de spin. L’émergence de ces nouveaux états de la matière constitue un sujet d’étude fondamental, mais, en raison de leur propriété de spin, ils pourraient aussi avoir des répercussions en spintronique.
Des concepts similaires ont permis l’émergence du pendant supraconducteur des isolants topologiques : les supraconducteurs topologiques. Le caractère topologique se manifeste alors dans le spectre d’excitation de l’état supraconducteur et donne naissance à des quasiparticules analogues aux Fermions de Majorana. Ces particules, qui sont leur propre antiparticule, n’ont ni charge ni spin et sont par conséquent très bien isolé de l’environnement et en principe idéal pour stocker de l’information quantique. L’existence des Fermions de Majorana a été prédite et intensément étudiée en physique des particules mais cette quête s’est révélée infructueuse. La réalisation expérimentale de la supraconductivité topologiques dans des structures hybrides semiconducteur-supraconducteur a permis de reproduire les conditions expérimentales à la création des Fermions de Majorana et des premières signatures expérimentales en transport ont été obtenues. Depuis, le champ de recherche autour des Fermions de Majorana est devenu l’un des thèmes majeurs en matières condensées. Cependant, la plupart de prédictions théoriques autour de ces excitations n’ont pas reçu de confirmations expérimentales.
Alors que les méthodes traditionnelles de caractérisation des matériaux tels que l’ARPES ou le STM ont montré de manière convaincante l’existence des isolants topologiques et des supraconducteurs topologiques, les quelques signatures expérimentales obtenues en transport sont l’objet d’instances discussions dans notre communauté. Le principal point d’achoppement est lié à la faible qualité cristalline des matériaux à disposition. Pour utiliser les isolants topologiques dans des circuits électroniques et tirer profit au maximum de leur structure de bandes exceptionnelle, un important effort est au jour d’aujourd’hui consacré à l’optimisation de la croissance des matériaux à fort spin-orbit.
Nous avons réuni un consortium à forte compétence dans les domaines de la supraconductivité topologiques, des structures hybrides semiconducteur-supraconducteur et croissance des matériaux à fort couplage spin-orbit. Nous proposons dans un premier temps d’optimiser la croissance de deux matériaux récemment identifiés pour leur couplage spin-orbit extrêmement important en comparaison des semiconducteurs traditionnels (GaAs, Si) : les nanofils à base de Germanium (Ge) et les puits quantiques à base d’Antimoniure (GaSb) et d’Arseniure (InAs). Nous nous proposons de mettre en évidence clairement les états hélicaux de spin et de les étudier. Dans un second temps, nous nous servirons de ces développements pour intégrer ces composants dans des circuits nanoélectroniques hybrides supraconducteur-semiconducteur. Nous induirons ainsi de la supraconductivité topologique. La qualité attendue des structures semiconductrices crues dans notre consortium nous permettra alors de démontrer les propriétés exceptionnelles des excitations de type Fermions de Majorana prédites théoriquement mais qui reste à ce jour sans démonstration expérimentales.