Helical edge transport and Fabry-Pérot interferometry in graphene quantum Hall effect
Transport hélical et interférométrie de Fabry-Pérot en régime d'effet Hall quantique dans le graphène
Résumé
In the quantum Hall regime, the Coulomb interactions lead to the emergence of various highly correlated electronic phases exhibiting striking statistical and topological properties. The recent development of high mobility graphene van der Waals heterostructures has opened new opportunities for the study of these phases and the interplay between quantum Hall physics and other condensed matter phenomena. In this PhD thesis, we have developed new types of nanostructures that could enable to probe and to exploit some of the unique properties of the correlated quantum Hall phases developing in graphene.Using high-k dielectric SrTiO3 substrates, we have fabricated graphene devices where a phase exhibiting a helical edge transport develops at charge neutrality and at low magnetic fields. We show that this helical quantum Hall phase stems from the screening of the long-range Coulomb interaction by the substrate. We demonstrate that this helical edge transport survives over micron long distances and is robust up to a temperature of 110 K, thus providing a promising platform to investigate topological superconductivity.We also have successfully fabricated encapsulated graphene heterostructures equipped with quantum point contacts in series that operate as quantum Hall Fabry-Pérot interferometers. We demonstrate that these devices display gate-tunable oscillations that arise from the Aharonov-Bohm effect in remarkable agreement with the theory. We investigate the quantum coherence of electron transport in these interferometers and the possibility to operate a coherent double Fabry-Pérot interferometer. We show that our graphene Fabry-Pérot interferometers also exhibit an intriguing transport regime where Aharanov-Bohm oscillations have a halved periodicity. We finally investigate the possibility to make interference in the fractional quantum Hall regime and we unveil the existence of phase jumps in Aharonov-Bohm oscillations, that are reminiscent of the signatures of anyonic quasiparticles, in a configuration where such features should not be observed. Our work demonstrates that graphene devices offer a new platform to investigate the physics of quantum Hall Fabry-Pérot interferometers and open new paths towards the probing of anyon physics emerging the fractional quantum Hall regime.
En régime d’effet Hall quantique, les interactions coulombiennes entrainent la formation de nombreuses phases électroniques hautement corrélées arborant des propriétés topologiques et des statistiques hors du commun. Le récent développement des hétérostructures de graphène de haute mobilité a offert de nouvelles opportunités pour l’étude de ces phases ainsi que pour explorer le couplage entre l’effet Hall quantique et d’autres phénomènes de la matière condensée. Dans ce travail de thèse, nous avons développé de nouvelles nanostructures qui permettent de sonder et d’exploiter certaines des propriétés uniques des phases corrélées se développant en régime d’effet Hall quantique dans le graphène.En utilisant des substrats de SrTiO3 à haute constante diélectrique, nous avons fabriqué des dispositifs dans lesquels un transport hélical apparait au point de neutralité et à bas champs magnétiques. Nous montrons que cette phase hélicale se développe grâce à l’écrantage par le substrat de l’interaction coulombienne longue portée. Dans cette phase le transport reste hélical sur des distances micrométriques et jusqu’à 110 K ce qui en fait un système de choix pour l’étude de la superconductivité topologique.La seconde partie de cette thèse a consisté en la réalisation d’interféromètres de Fabry-Pérot en régime d’effet Hall quantique à base d’héterostructures de graphène encapsulé équipées de contacts ponctuels quantiques. Nous démontrons l’existence, dans ces dispositifs, d’oscillations Aharanov-Bohm contrôlables par des grilles électrostatiques, en parfait accord avec les prédictions théoriques. Nous étudions la cohérence du transport électronique dans ces interféromètres ainsi que la possibilité de mettre en place un double interféromètre dans lequel le transport reste cohérent. Par ailleurs, nous montrons qu’il existe, dans ces interféromètres, un régime de transport particulier dans lequel les oscillations Aharanov-Bohm ont une périodicité réduite de moitié. Nous étudions, enfin, la possibilité de réaliser des expériences d’interférométrie en régime d’effet Hall quantique fractionnaire et nous mettons en évidence l’existence de sauts de phases dans les oscillations Aharonov-Bohm ne pouvant pas être interprétés comme des signatures de statistiques anyoniques. Notre travail montre que les dispositifs à base de graphène offrent de nouvelles opportunités pour l’étude des interféromètres de Fabry-Pérot en régime d’effet Hall quantique et ouvrent de nouvelles perspectives pour explorer la physique des anyons émergeant en régime fractionnaire.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|