Study of graphene-based Josephson junctions in the quantum Hall effect regime

Etude de jonctions Josephson à base de graphène dans le régime d'effet Hall quantique La combinaison de l’effet Josephson, soit le transfert de paires de Cooper entre deux blocs supraconducteurs séparés par une barrière suffisamment fine, avec le régime d’effet Hall quantique, dans lequel un courant circule via des canaux unidimensionnels le long des bords d’un gaz d’électron bi-dimensionnel, pourrait, sous certaines conditions, générer un nouveau type de quasi-particules présentant une statistique d’échange non-abélienne.Bien que ces deux effets aient été indépendamment observés il y a maintenant plus de 30 ans, la mise en évidence d’un supercourant médié par les états de bord de l’effet Hall quantique, dit « supercourant chiral », reste encore à démontrer.Dans cette thèse, nous étudions des jonctions Josephson dont la partie normale est constituée de graphène en régime d’effet Hall quantique. L’emploi de nanorubans de graphène pour nos échantillons, combiné à l’utilisation d’électrodes à base de MoGe, un supraconducteur désordonné ayant un champ critique supérieur à 12T, nous a permis d’observer un supercourant dans le plateau de résistance d’effet Hall quantique nu = 2 jusqu’à une valeur de champ magnétique de 8T, un record pour ce type de dispositif. Sous irradiation RF, le supercourant forme des pas de Shapiro indiquant une relation courant-phase 2π-périodique.L’emploi d’une carte d’acquisition permettant d’effectuer des mesures de courbes I/V ultra-rapides a rendu possible l’étude systématique de ce supercourant en fonction de la tension de grille, du champ magnétique et du courant de polarisation appliqué.En particulier, dans le plan tension de grille – champ magnétique, la valeur maximale du supercourant (extraite des courbes I/V successives) présente des oscillations dans la région correspondant au plateau d’effet Hall quantique nu = 2. Nous observons également des oscillations dans la résistance différentielle calculée à partir de ces courbes I/V.A tension de grille fixée, dans nos jonctions les plus petites, la période en champ magnétique de ces oscillations ne peut être reliée à la valeur usuelle du quantum de flux supraconducteur h/2e, et ce même en tenant compte de l’incertitude sur l’estimation de l’aire de nos dispositifs.Toutefois, a facteur de remplissage constant, la période correspond à un quantum de flux h/e, une valeur anticipée par les théories traitant d’un supercourant médié par les états de bord de l’effet Hall quantique.En outre, l’application d’une analyse de Fourier sur ces oscillations permet de mettre en évidence une réduction de leur période à mesure que le facteur de remplissage augmente, une observation nous permettant d’accéder à la dispersion des niveaux de Landau aux bords de l’échantillon.L’analyse de Fourier révèle également une réduction de la période de ces oscillations avec le champ magnétique, ce que nous expliquons par l’influence de ce dernier sur l’extension spatiale des fonctions d’onde des canaux de bords de l’effet Hall quantique.Enfin, l’étude de la dépendance des oscillations de résistance à la tension de polarisation révèle un motif en damier, une observation rappelant les signatures d’effets d’interférence habituellement reportés dans des analogues d’interféromètres Fabry-Pérot en régime d’effet Hall quantique. En poussant cette analogie, il est possible d’estimer l’énergie de Thouless associée aux porteurs de charges impliqués dans ces effets d’interférence et par suite, de mettre en évidence une renormalisation de la vitesse des canaux de bords de l’effet Hall quantique le long des interfaces graphène-supraconducteur.