Aspects topologiques des dérivés du graphène

Ces dernières années, la physique de la matière condensée a connu une profonde révolution de concepts par la découverte de nombreuses phases de la matière qui ne sont pas classifiables à la Landau, c’est à dire par leur groupe de symétrie. Si les premiers travaux remontent à ceux des effets Hall quantiques (entier et fractionnaire), ce n’est que récemment, avec l’avènement du graphène et des isolants topologiques que les physiciens ont réalisé que ces phases de la matière ne nécessitent, dans l’absolu, ni champ magnétique, ni basse température, par opposition aux effets Hall quantiques précédemment cités. Ces nouveaux états de la matière sont caractérisés non pas par la géométrie du problème mais plutôt par la topologie. Ici donc, la forme précise du spectre électronique n’est pas importante, seules certaines caractéristiques, comme la présence ou l’absence d’un gap, le sont. De manière similaire à la classification de Landau des groupes de symétries, il est possible de classifier ces nouveaux systèmes par l’intermédiaire de groupes topologiques. La branche mathématique invoquée est celle de la topologie algébrique. A travers les invariants qu’elle génère, il est possible de classer les états topologiquement non-triviaux. De plus, les transitions entre des états à topologies distinctes sont aussi accessibles par cette théorie. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse s’intéressent aux effets topologiques dans la structure de bandes de matériaux bi-dimensionnels. Après une présentation du formalisme mathématique général, un premier chapitre s’intéressera à la topologie locale, c’est à dire pour une portion restreinte de la première zone de Brillouin, des points de croisements de bandes, dits points de Dirac. Un effort sera porté vers la classification de ces systèmes et des transitions associées. Le chapitre suivant mettra en lumière un moyen efficace de mesurer les effets de la topologie des électrons en deux dimensions. Il s’agit de l’étude des niveaux de Landau qui résultent de l’application d’un champ magnétique 5transverse au plan des électrons. Les points de Dirac se transmutent alors en niveaux à énergie nulle topologiquement stables, c’est à dire peu ou pas influencés par les diverses perturbations. L’étude des différents modèles justifiera la discrimination entre la physique à champ magnétique faible et celle à champ magnétique fort, faible ou fort étant très dépendant du système étudié. Enfin, dans un dernier chapitre plus prospectif on s’intéressera à la topologie globale, c’est à dire pour l’ensemble de la première zone de Brillouin. Ce type d’étude est surtout caractérisé par l’existence d’états de bords robustes. On en fera l’expérience d’une double manière. D’abord par l’étude un modèle à un électron, puis par celle d’un système en forte interaction de N électrons. A travers les différents exemples étudiés, on s’attachera à démontrer la puissance de l’outil topologique pour les problèmes de la matière condensée, phénomène qui devrait s’accentuer les prochaines années.