Quantum transport in intrinsic magnetic topological insulators

Transport quantique dans les isolants topologiques magnétiques intrinsèques La nouvelle famille d'isolants topologiques stratifiés van-der-Waals intrinsèquement magnétiques (iMTI) Mn(Bi,Sb)2Te4 avec un fort couplage spin-orbite présente un grand intérêt pour l'étude de l'interaction entre la topologie et l'ordre magnétique dans les structures de bandes électroniques. Il a fait l'objet d'une attention croissante en tant que plateforme potentielle pour étudier les phases topologiques exotiques, telles que les états de Hall quantique anormal (QAH) ou d'isolant d'Axion, accordés par le magnétisme. L'état d'isolant QAH est caractérisé par un état de bord unidimensionnel sans dissipation, polarisé par le spin, lié à un degré élevé de quantification de la résistance transversale, ce qui le rend intéressant pour les applications de métrologie quantique. Cependant, le désordre intrinsèque (mélange Mn/Bi, textures magnétiques locales non colinéaires) pose des défis expérimentaux pour réaliser de tels dispositifs topologiques dans le Mn(Bi,Sb)2Te4. Dans cette thèse, nous étudions à la fois les propriétés classiques de magnétotransport (donnant accès au magnétisme local) des nanostructures MnBi2Te4 et MnSb2Te4, ainsi que leurs propriétés de transport cohérent quantique (liées au déphasage induit soit par le désordre structurel et magnétique).Tout d'abord, la haute qualité cristalline des composés antiferromagnétiques MnSb2Te4 et ferromagnétiques MnSb2Te4 est confirmée par des mesures conventionnelles de magnétotransport dans des champs magnétiques importants (jusqu'à 18 T), tout en révélant l'influence d'un désordre magnétique ponctuel. En outre, les mesures de transport dans des champs magnétiques élevés pulsés jusqu'à 55 T apportent la preuve des oscillations de Shubnikov-de Haas (SdH), jusqu'à présent insaisissables. Une analyse détaillée révèle que leur origine est due à un état de surface topologique (TSS). En ce qui concerne le MnSb2Te4 ferromagnétique, une étude comparative du magnétotransport sur un grand nombre de nanodispositifs révèle une dépendance frappante de l'épaisseur des propriétés magnétiques telles que la température de Curie et le champ coercitif, qui est encore soulignée par des mesures de magnétométrie en vrac. En combinant les résultats avec une analyse structurelle du cristal par microscopie électronique à transmission à champ sombre annulaire à grand angle (HAADF-STEM), nous discutons des propriétés dépendant de l'épaisseur dans le contexte du mélange magnétique antisite et de l'oxydation de surface. En outre, une étude de la faisabilité de l'hydrogénation par plasma pour la compensation des porteurs de charge en vrac aborde le problème du dopage intrinsèque dans les iMTI, qui entrave l'étude des états topologiques dans les échantillons épais.Deuxièmement, nous étudions la physique fondamentale du transport d'ondes électroniques dans le MnBi2Te4 dans différents états magnétiques en examinant la correction quantique de la conductance des barres de Hall mésoscopiques, jusqu'à 50 mK et dans des champs magnétiques allant jusqu'à 18 T. Nous mettons en évidence les fluctuations de conductance universelles de grande amplitude liées à une longueur de cohérence de phase sans précédent Lφ = 300 nm pour un aimant mésoscopique.Nous révélons une faible décohérence à des températures plus élevées. Ces résultats révèlent le potentiel des isolants topologiques magnétiques pour réaliser des interféromètres quantiques basés sur le déphasage par le magnétisme.Enfin, cette thèse considère de nouveaux concepts pour la spintronique topologique basés sur la topologie intrinsèque de dispositifs multi-terminaux construits à partir de l'interconnexion de canaux à bords balistiques, tels que ceux réalisés dans le régime QAH des isolants topologiques magnétiques. Leur topologie non-hermitienne spécifique est associée à ce que l'on appelle l'effet de peau (quantique), avec une grande sensibilité (réponse exponentielle) à de petits changements des conditions aux limites.