Quantum spin hall phase in screened graphene on Bismuth selenide

Phase de Hall quantique de spin dans du graphène écranté sur Bismuth selenide Le niveau de Landau zéro dans le graphène à haute mobilité, avec un état fondamental polarisé en spin, abrite une phase d'isolant topologique quantique Hall au point de neutralité de charge (CNP). Cette phase se caractérise par un volume isolant et des états de bord hélicoïdaux contre-propagants polarisés en spin. Coupler cette phase hélicoïdale à un supraconducteur de type s-wave constitue une voie prometteuse pour réaliser la supraconductivité topologique et étudier la physique des fermions de Majorana. Cependant, expérimentalement, le faible facteur g dans le graphène et les interactions coulombiennes omniprésentes ont représenté un obstacle, favorisant un état fondamental trivial isolant polarisé en vallée à faibles champs, nécessaire pour maintenir la supraconductivité. Des expériences récentes ont ajusté l’état fondamental du zLL vers la phase hélicoïdale à faibles champs en écrantant la partie à longue portée des interactions coulombiennes à l'aide d'un substrat à constante diélectrique élevée, SrTiO3. Cependant, la constante diélectrique non linéaire et hystérétique du SrTiO3, ainsi que les parois de domaines ferroélectriques, en font un matériau moins qu'idéal pour des dispositifs à haute mobilité stables et reproductibles, essentiels pour les applications futures.Dans cette thèse, nous présentons une plateforme matérielle plus stable pour écranter les interactions coulombiennes dans les hétérostructures de graphène encapsulé par du nitrure de bore hexagonal (hBN-Gr-hBN). Nous utilisons une électrode métallique 2D en Bi2Se3 à la fois comme substrat d’écrantage et comme électrode de grille, séparée du plan de graphène encapsulé par une fine couche de hBN. Dans les hétérostructures ainsi obtenues, nous mesurons systématiquement une mobilité Hall ultra-élevée, nous permettant d'observer l'effet Hall quantique et le transport de bord hélicoïdal au CNP pour des champs aussi faibles que 200 mT. Nous examinons d'abord le rôle significatif joué par le dopage et la taille des contacts sur la quantification de la résistance de bord hélicoïdal. Nous observons une non-additivité de la résistance à 2 bornes dans les dispositifs avec des contacts étroits, que nous attribuons à une équilibration imparfaite dans les contacts. Nous effectuons des simulations numériques de l'effet du dopage et du désordre dépendant de la largeur des contacts sur l'équilibration, et montrons que dans les dispositifs avec des contacts plus larges, la résistance atteint la valeur quantifiée malgré le dopage des contacts. Dans les dispositifs fabriqués par la suite avec des contacts plus larges, nous mesurons systématiquement une quantification quasi-idéale à 4K et 80mK. Nous caractérisons également le transport de bord hélicoïdal dans ces dispositifs en transmettant ou rétrodiffusant sélectivement les états de bord hélicoïdaux à travers une électrode supérieure servant de barrière Hall quantique. Nous présentons un modèle basé sur le formalisme de Landauer-Büttiker pour les états de bord hélicoïdaux qui s'aligne bien avec les résultats expérimentaux. Cet ensemble de données complet, provenant de plusieurs échantillons, fournit des preuves convaincantes d'une phase hélicoïdale reproductible dans le graphène à neutralité de charge sur Bi2Se3 et encourage de futurs efforts pour intégrer la supraconductivité afin de rechercher une supraconductivité topologique.