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Thèse Année : 2019

Dirac fermion optics and plasmonics in graphene microwave devices

Optique et plasmonique des fermions de Dirac dans les dispositifs hyperfréquences à base de graphène

Résumé

This thesis addresses the physics of non-interacting and interacting Dirac fermions in ballistic graphene. Three main phenomena are investigated: Dirac fermion optics in electronic prisms defined by p-n junctions, GHz plasmonics in plasma resonance capacitors, and the breakdown of the integer quantum Hall effect (QHBD) by a magnetoexciton instability. Our technology relies on h-BN encapsulated graphene devices characterized by DC to GHz electronic transport and noise. We first study the total internal reflection of electrons in a gate-defined corner reflector. Both geometric and coherent electron optics effects are demonstrated and the device is shown to be sensitive to minute phonon scattering rates. It is then used as a proof-of-concept for GHz electron optics experiments in graphene. We introduce top-gated graphene field-effect capacitors as a platform to study ultralong wavelength plasmons characterized with a vector network analyzer. We simultaneously measure resistivity, capacitance and kinetic inductance. We observe a resonance at 40 GHz with a quality factor of two, corresponding to a plasmon of 100 µm wavelength. This result sets a milestone for the realization of resonant plasmonic devices. We finally move our attention to the QHBD in a bilayer graphene sample. DC transport and GHz noise measurements show that the elusive intrinsic breakdown field can be reached in graphene. Its signature is an abrupt increase of noise, with a superPoissonian Fano factor. We propose a magnetoexciton instability scenario as the origin of breakdown. These results show how progress in sample fabrication has enabled us to study new classes of ballistic devices, to explore new fundamental phenomena and to envision more complex experiments like: time-of-flight measurements of acoustic phonons, characterization of plasmon propagation in bipolar superlattices, or breakdown in single layer graphene. In terms of applications, this thesis paves the way for room-temperature electron optics devices, plasma-resonance-based THz detectors, and improvement of quantum Hall resistance standards
Cette thèse porte sur la physique des fermions de Dirac dans le graphène balistique, sans et avec interactions. Trois phénomènes principaux sont étudiés: L’optique des fermions de Dirac dans des prismes électroniques définis par des jonctions p-n, la plasmonique GHz dans des condensateurs à résonance plasmons, et la rupture de l’effet Hall quantique (en anglais QHBD) dû à l’instabilité de magnetoexcitons. Notre technique est basée sur la caractérisation du transport électronique et du bruit dans les dispositifs de graphène encapsulé dans du nitrure de bore, du continu aux hyperfréquences. En optique électronique, nous étudions la réflexion totale interne des électrons dans un réflecteur coin défini par des électrodes de grille. On démontre des effets d’optique électronique géométrique et cohérente. Le dispositif est sensible à des taux de diffusion minuscules et donc capable de détecter des phonons à basse température. On l’utilise pour démontrer la faisabilité d’expériences d’optique de fermions de Dirac en régime hyperfréquences. En plasmonique, nous introduisons les condensateurs graphène à effet de champs en tant que plateforme pour étudier les plasmons de longueur d’onde très grande. Les dispositifs sont caractérisés avec un analyseur de réseau. Nous mesurons simultanément la résistivité, la capacitance et l’inductance cinétique et nous observons une résonance à 40 GHz avec un facteur de qualité de deux, qui correspond à un plasmon d’une longueur d’onde de 100 µm. Ce résultat constitue un pas important vers la réalisation de dispositifs plasmoniques résonnants. Enfin, à champs magnétiques et électriques croisés forts, nous étudions la rupture de l’effet Hall quantique entier dans un échantillon modèle de graphène bicouche. Le transport en courant continu et le bruit à 5 GHz démontrent que le champ de rupture intrinsèque peut être atteint dans le graphène. La signature du QHBD est un décollage brutal du bruit, avec un facteur de Fano largement superpoissonien. Comme mécanisme collectif de rupture, nous proposons l’instabilité de magnetoexcitons. Ces résultats montrent comment le progrès dans la fabrication des échantillons a permis d’étudier de nouvelles classes de dispositifs balistiques, d’explorer de nouveaux phénomènes fondamentaux et d’envisager des expériences plus complexes, comme : des mesures du temps de vol des phonons acoustiques, la caractérisation de la propagation d’un plasmon dans un super-réseau bipolaire ou le QHBD dans le graphène monocouche. En termes d’applications, cette thèse ouvre la voie pour l’exploitation de l’optique de fermions de Dirac à température ambiante, la conception de détecteurs THz utilisant la résonance de plasmon, et l’amélioration des standards de résistance basé sur l’effet Hall quantique.
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Identifiants

  • HAL Id : tel-02697984 , version 1

Citer

Holger Graef. Dirac fermion optics and plasmonics in graphene microwave devices. Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect [cond-mat.mes-hall]. Sorbonne Universités; Nanyang Technological University, Singapour, 2019. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02697984v1⟩
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