Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2002. / Titre de l'écran-titre (visionné le 30 août 2006). Publié aussi en version papier.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L’effet Hall quantique (EHQ), observé par exemple dans des gaz bidimensionnels d’électrons (2DEGS) à basse température et sous fort champ magnétique, a révolutionné la métrologie des résistances car il permet d’obtenir un étalon quantique de résistance qui ne dépend que de e et h (respectivement la charge de l’électron et la constante de Planck). Une des missions des métrologues est de développer les étalons en améliorant leurs performances ou en les rendant plus facile à mettre en oeuvre (travaillant à plus haute température ou plus faible champ magnétique). Dans ce contexte, la physique du graphène suscite l’intérêt pour une application en métrologie. Une monocouche de graphène est une feuille d’un seul atome d’épaisseur constituée d’atomes de carbone disposés en nid d’abeille. Une bicouche de graphène est formée par empilement de deux monocouches. Les écarts en énergie entre les premiers niveaux de Landau dans la monocouche et dans la bicouche sont supérieurs par rapport à ceux dans GaAs ce qui rend l’EHQ dans le graphène plus robuste et laisse envisager le développement d’un étalon plus pratique. Durant ma thèse, nous avons mis en place un protocole de fabrication de barres de Hall en graphène exfolié comprenant un repérage optique, des lithographies électroniques, la métallisation, la gravure plasma… L’utilisation de substrat de silicium oxydé en surface rend possible l’utilisation d’une grille en face arrière. En outre la géométrie des échantillons répond au mieux aux critères métrologiques (canal central large, prises de tension bien définies, …). A basse température, le dopage résiduel obtenu après le recuit in situ est de l’ordre de 3-4x1011 cm-2. Les mobilités sont proches de 3000 cm2/(V.s) et 4000 cm2/(V.s) respectivement pour les échantillons monocouche et bicouche à la fois pour les électrons et les trous. Le transport mésoscopique a été caractérisé à basse température par des mesures de localisation faible et de fluctuations universelles de conductance. La longueur de cohérence que nous avons extraite est de l’ordre de 0.5 µm à 1.5 K. La résistance des contacts mesurée en régime d’EHQ est plutôt faible (typiquement quelques ohms). L’EHQ a été étudié en détail à basse température (300 mK < T <1.5 K) et sous fort champ magnétique (jusqu’à 18.5T) à la fois dans la monocouche et la bicouche en mesurant de manière précise la résistance de Hall (RH) et la résistance longitudinale (Rxx). Les mesures fines de RH sont réalisées à l’aide d’un pont de comparaison basé sur un Comparateur Cryogénique de Courant ; elles consistent à comparer indirectement l’EHQ dans l’échantillon de graphène à l’EHQ obtenu dans une barre de Hall en GaAs/AlGaAs qui est supposée fournir la valeur exacte RH/2. Nos mesures révèlent un accord entre la résistance de Hall dans le graphène et la valeur attendue avec une incertitude de quelques 10-7. Au plus faible courant et dans l’état de dissipation minimale (Rxx→0), nous avons obtenu un accord avec une incertitude relative de 3.10-7. Ce niveau de précision est principalement limité par la petite taille de nos échantillons et par les inhomogénéités de la densité qui y sont présents, ces deux caractéristiques amenant de faibles courants de rupture de l’EHQ (1-2 µA). Toutefois, nos résultats sont à ce jour les tests les plus précis concernant l’EHQ dans du graphène exfolié et les premiers tests sur une bicouche. Ils confirment le potentiel de l’EHQ dans le graphène pour une application en métrologie. / The quantum Hall effect (QHE) observed in two dimensional electron gases (2DEGs) at low temperature and under high magnetic induction, has revolutionized the resistance metrology because it leads to a universal and very reproducible quantum resistance standard only dependent on e and h (respectively the electron charge and Planck's constant). One of the metrologists' missions is to develop standards with improved performances and to notably make them more practical, working for example at higher temperature or lower magnetic induction. In this context, graphene physics could be very interesting for metrological applications. Monolayer graphene is a one atom thick layer of carbon atoms condensed in a honeycomb lattice. A bilayer graphene consists in two stacked monolayers. Larger energy spacings between the first Landau Levels in monolayer and in bilayer than in GaAs make the QHE in graphene more robust and give hope that more practical standards could be developed. During the PhD, we have set a protocol up in order to fabricate exfoliated graphene based Hall bars, including location with an optical microscope, e-beam lithography, metallization, plasma etching… Backgated using oxidized silicon wafers the devices were designed to fulfill at best the metrological requirements (large conduction channel, well defined voltage probes…). At low temperature, the typical charge carrier residual doping obtained after the annealing process was 3-4x1011 cm-2. Mobilities were close to 3000 cm2/(V.s) and 4000 cm2/(V.s) respectively for the monolayer and the bilayer based device both for holes and electrons. Mesoscopic transport was characterized at low temperature by weak localization and universal conductance fluctuations (UCF) measurements. The phase coherence length deduced was about 0.5 µm below 1.5 K. The resistance of the contacts, measured in the QHE regime, appeared to be rather low (typically few ohms). The QHE was investigated in details at low temperature (300 mK < T <1.5 K) and high magnetic field (up to 18.5 T) in both monolayer and bilayer graphene by refined measurements of the Hall resistance (RH) and also of the longitudinal resistance (Rxx). The accurate measurements of RH were performed using a Cryogenic Current Comparator based resistance bridge. They consist in an indirect comparison between the QHE in graphene and the QHE obtained in a GaAs based Hall bar, supposed to deliver the expected value RH/2. Our measurements showed an agreement of the Hall resistance in graphene with the expected value within some parts in 107. At the lowest biasing current and in the lowest dissipation state (where Rxx→0) it is possible to demonstrate an agreement within an uncertainty of 3 parts in 107. That accuracy is essentially limited by the small size, and the poor homogeneity of the carrier density of the graphene electronic systems, both acting for a very reduced breakdown current of the QHE (1-2 µA). Nevertheless these results are the most accurate tests of the QHE performed in exfoliated graphene and the first universality test of the QHE with bilayer graphene. They confirm the potential of the QHE in graphene for the metrological application.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le futur Système International d'unités, fondé sur des constantes fondamentales, va permettre de profiter pleinement des étalons quantiques de résistance, de courant et de tension qui sont reliés à la constante de planck et à la charge élémentaire. Dans cette thèse, nous avons développé et étudié un étalon de résistance fondé sur l'effet Hall quantique (EHQ) dans du graphène obtenu par dépôt chimique en phase vapeur (propane/hydrogène) sur substrat de carbure de silicium. Nous avons réussi à montrer, pour la première fois, qu'un étalon de résistance en graphène pouvait fonctionner à des conditions expérimentales plus pratiques que son homologue en GaAs/AlGaAs, c'est-à-dire à des températures plus élevées (T⋍10 K), des champs magnétiques plus faibles (B ⋍ 3,5 T) et des courants de mesures plus importants (I⋍500 μA). Dans une optique de compréhension et d'amélioration, nous avons analysé la reproductibilité du processus de fabrication de barres de Hall, testé une méthode de modification de la densité électronique et étudié les mécanismes de dissipation en régime d'EHQ.Dans une seconde partie, nous avons démontré qu'il était possible de réaliser une source de courant quantique programmable et versatile, directement reliée à la charge élémentaire, en combinant les deux étalons quantiques de tension et de résistance dans un circuit quantique intégrant un comparateur cryogénique de courant. Des courants ont ainsi pu être générés dans une gamme allant de 1 μA jusqu'à 5 mA avec une incertitude relative jamais atteinte de 10⁻⁸. Nous avons également prouvé que cet étalon de courant, réalisant la nouvelle définition de l'ampère, pouvait être utilisé pour étalonner un ampèremètre. / The future International System of Units, based on fundamental constants, will allow to take full advantage of the quantum standards of resistance, current and voltage that are linked to the planck constant and the elementary charge only.In this thesis, we have developed and studied a resistance standard based on the quantum Hall effect in graphene obtained by chemical vapor deposition (propane/hydrogen) on silicon carbide substrate. For the first time we were able to show that a graphene resistance standard could operate at more practical experimental conditions than its counterpart in GaAs/AlGaAs, ie at higher temperatures (T⋍10 K), weaker magnetics fields (B ⋍ 3,5 T) and larger measurement currents (I⋍500 μA). From an understanding and improvement perspective, we have analyzed the fabrication process of the Hall bar and its reproducibility, tested a method to modify the electronic density, and investigated the quantum Hall effect dissipation mechanisms.In a second part, we have demonstrated that it was possible torealize a programmable and versatile quantum current source from the elementary charge, by combining the two quantum standards of voltage and resistance in a quantum circuit integrating a cryogenic current comparator. Currents were generated in the range from 1 μA to 5 mA, with a relative uncertainty never achieved before of 10⁻⁸. We have also showed that this current standard, realizing the new definition of the ampere, could be used to calibrate an ammeter.

Ce travail porte sur l'étude du transport électronique dans le graphène, en particulier à fort champs magnétiques, en régime d'Effet Hall Quantique. Il a pu être mis en évidence les mécanismes de transport électronique à énergie finie dans ce régime, les lois d'universalité de l'effet Hall quantique observées dans les gaz bidimensionnels d'électrons ont été retrouvées. Nous avons aussi pu observer pour la première fois la transition entre un régime de transport avec interactions et un sans interaction électronique grâce aux effets d'écrantage de la grille permettant de doper le graphène. Cette transition permet de confirmer une loi de saut à pas variable donnée par Efros-Shklovskii comme mécanisme de transport dominant dans l'effet Hall quantique.

Le sujet de cette thèse concerne le transport en alternatif à basse fréquence dans les états de bords de l'effet Hall quantique. L'objet d'étude est la partie imaginaire de l'admittance, inductive ou capacitive, des échantillons de Hall. Dans un gaz d'électrons bidimensionnel, le transport à très basse température sous champ magnétique quantifiant, se fait dans des canaux de bord unidimensionnels. Ces canaux ont une capacité quantique propre et sont par ailleurs couplés par l'interaction électrostatique.Nos échantillons sont fabriqués à partir d'hétérojonctions GaAlAs/GaAs et n'ont pas de grille pour n'exhiber que leur propriétés capacitives intrinsèques. Deux topologies sont étudiées dans cette thèse : les barres de Hall et les Corbinos, de géométrie circulaire. La topologie permet de distinguer 2 comportements dans le transport en alternatif.Sont d'abord présentées les mesures à l'impédancemètre de la partie imaginaire de l'impédance et les spectres de réactance, pour les barres de Hall en fonction de la fréquence. Nous utilisons des mesures 3 points ou bien 2 points, mais toujours en 4 fils, et révélons la nature inductive des état de bords. Nous montrons que l'inductance est inversement proportionnelle à la densité d'état, comme le prévoit le calcul de l'inductance quantique d'un canal 1D. Le formalisme de Buttiker permet en outre de comprendre cette dépendance en terme de capacité mutuelle des états de bords.Nous mesurons également la partie imaginaire de l'admittance et traçons les spectres de susceptance des Corbinos, qui s'avèrent être des capacités parfaites. Nos résultats s'interprètent en faisant intervenir la capacité quantique des états de bords.Enfin, nous montrons que l'effet Hall dans un échantillon type barre, peut être vu comme l'effet d'apparition d'une inductance, et ceci même à haute température. Cette inductance cinétique est le résultat de l'augmentation du temps de dissipation de l'énergie sur les phonons, avec le champ magnétique. / In a two dimensional electron gas, low energy transport in presence of a magnetic field occurs in chiral 1D channels located on the edges of the sample. In the Buttiker’s description of a.c. quantum transport, the “emittance” determines the amplitude of the imaginary part of the admittance, whose sign and physical meaning are determined by the topology: in the case of an Hall bar the emittance is an inductance, while it is a capacitance in the case of a corbino sample.Emittance is related to the density of states and to the drift velocity of carriers. So quantum capacitances and inductances give access to the velocity of the charge carriers through the transit time/dwell time of charges in the quantum circuit.We performed systematic studies on samples with different topologies : Hall bars and Corbino disks. Our samples have no gate, which makes us able to observe the inner properties of the quantum states. We have measured the ac admittance of quantum Hall samples using standard electrical techniques in the [0.1-100] kHz frequency range, at low temperature under high magnetic field.We measured kinetic inductances of Hall bars with three contacts and showed the perfect inductive nature of edge states. We measured quantum capacitances of Corbino disks as well. In both topologies we observed the close relation between the emittance and the density of states. We show also the proportionality between the emittance and the length of the circuit. We obtain the transit time of electrons through the device, and finally the drift velocity on edge states.At high temperature we still observe an inductive behavior of Hall bars, induced by increase of energy relaxation time with magnetic field.

La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la gravité en l'absence de matière lorsque la métrique ne dépend que de deux variables. En s'appuyant sur une nouvelle paire de Lax basée sur l'algèbre sl(2, R) affine déformée par un automorphisme d'ordre 2 et l'algèbre de Virasoro, nous obtenons une méthode purement algébrique (sans calcul d'intégrale) pour engendrer l'ensemble des solutions. Les éléments de la métrique sont alors exprimés par des déterminants. Toujours à l'aide de cette paire de Lax, nous étudions la structure symplectique de la théorie. Nous montrons que ce modèle non ultralocal conduit à des équations de Yang-Baxter modifiées ne faisant intervenir que de purs c-nombres. Nous présentons aussi une méthode pour calculer les observables classiques à l'aide de conditions aux limites raisonnables. Dans la seconde partie, nous nous attachons à regarder l'effet Hall quantique de spin. Nous étudions une généralisation du modèle de Chalker-Coddington en considérant un grand nombre de degrés de liberté de spin possédant une symétrie SP(2N). Nous mettons en évidence une direction dans l'espace des constantes de couplage dite isotrope, qui est préservée par le flot de renormalisation et attractive dans la région des constantes de couplages positives. Nous montrons que le modèle sigma effectif pour cette direction correspond, dans la limite où N est grand, à une théorie massive dans la limite infrarouge. La dernière partie est dédiée à la présentation de l'application de l'algorithme du groupe de renormalisation numérique utilisant la matrice de densité à l'effet Hall quantique fractionnaire. Nous présentons l'ensemble des notions de base nécessaires à une telle étude. A titre de complément, nous appliquons une partie des outils numériques développés à la détermination des constantes de couplage de la molécule magnétique Mn12Ac.

Cette thèse est consacrée à l'amélioration de la cohérence dans le régime d'effet Hall quantique entier (EHQE) à facteur de remplissage ν=2, obtenu en appliquant un fort champ magnétique perpendiculairement au plan d'un gaz bidimensionnel d'électrons formé à l'interface d'une hétérostructure semiconductrice d'AlGaAs/GaAs. On obtient alors des conducteurs unidimensionnels chiraux (états de bord) permettant de réaliser l'équivalent électronique de l'interféromètre de Mach-Zehnder (IMZ), pour étudier la cohérence dans ce régime. L'observation inattendue d'une structure périodique en forme de lobes dans la visibilité des interférences en fonction de la tension appliquée en entrée suggère un rôle non négligeable des interactions.Dans un première partie nous expliquons l'émergence des états de bord dans le régime d'EHQE. Nous faisons ensuite l'état de l'art des connaissances concernant leur cohérence, puis nous présentons l'IMZ électronique du point de vue expérimental.Ensuite, nous détaillons les résultats expérimentaux, d'abord concernant la visibilité à tension finie: nos mesures confirment une prédiction théorique concernant un transition de phase quantique en fonction de la dilution de l'état de bord qui interfère ; nous ne voyons pas d'effet flagrant de la relaxation en énergie. Enfin, de précédents travaux(1) ayant identifié clairement l'état de bord voisin de celui qui interfère comme l'environnement limitant la cohérence du système, nous avons réalisé un nouveau type d'échantillon afin de diminuer le couplage à cet environnement de manière contrôlée. Nous avons ainsi augmenté la cohérence de moitié en accord quantitatif avec la théorie issue de précédents travaux(1).(1)P. Roulleau, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, G. Faini, U. Gennser, and D. Mailly. Noise Dephasing in Edge States of the Integer Quantum Hall Regime. Physical Review Letters, 101(18):186803-4, October 2008

L'effet Hall quantique (EHQ), observé par exemple dans des gaz bidimensionnels d'électrons (2DEGS) à basse température et sous fort champ magnétique, a révolutionné la métrologie des résistances car il permet d'obtenir un étalon quantique de résistance qui ne dépend que de e et h (respectivement la charge de l'électron et la constante de Planck). Une des missions des métrologues est de développer les étalons en améliorant leurs performances ou en les rendant plus facile à mettre en oeuvre (travaillant à plus haute température ou plus faible champ magnétique). Dans ce contexte, la physique du graphène suscite l'intérêt pour une application en métrologie. Une monocouche de graphène est une feuille d'un seul atome d'épaisseur constituée d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille. Une bicouche de graphène est formée par empilement de deux monocouches. Les écarts en énergie entre les premiers niveaux de Landau dans la monocouche et dans la bicouche sont supérieurs par rapport à ceux dans GaAs ce qui rend l'EHQ dans le graphène plus robuste et laisse envisager le développement d'un étalon plus pratique. Durant ma thèse, nous avons mis en place un protocole de fabrication de barres de Hall en graphène exfolié comprenant un repérage optique, des lithographies électroniques, la métallisation, la gravure plasma... L'utilisation de substrat de silicium oxydé en surface rend possible l'utilisation d'une grille en face arrière. En outre la géométrie des échantillons répond au mieux aux critères métrologiques (canal central large, prises de tension bien définies, ...). A basse température, le dopage résiduel obtenu après le recuit in situ est de l'ordre de 3-4x1011 cm-2. Les mobilités sont proches de 3000 cm2/(V.s) et 4000 cm2/(V.s) respectivement pour les échantillons monocouche et bicouche à la fois pour les électrons et les trous. Le transport mésoscopique a été caractérisé à basse température par des mesures de localisation faible et de fluctuations universelles de conductance. La longueur de cohérence que nous avons extraite est de l'ordre de 0.5 µm à 1.5 K. La résistance des contacts mesurée en régime d'EHQ est plutôt faible (typiquement quelques ohms). L'EHQ a été étudié en détail à basse température (300 mK < T <1.5 K) et sous fort champ magnétique (jusqu'à 18.5T) à la fois dans la monocouche et la bicouche en mesurant de manière précise la résistance de Hall (RH) et la résistance longitudinale (Rxx). Les mesures fines de RH sont réalisées à l'aide d'un pont de comparaison basé sur un Comparateur Cryogénique de Courant ; elles consistent à comparer indirectement l'EHQ dans l'échantillon de graphène à l'EHQ obtenu dans une barre de Hall en GaAs/AlGaAs qui est supposée fournir la valeur exacte RH/2. Nos mesures révèlent un accord entre la résistance de Hall dans le graphène et la valeur attendue avec une incertitude de quelques 10-7. Au plus faible courant et dans l'état de dissipation minimale (Rxx→0), nous avons obtenu un accord avec une incertitude relative de 3.10-7. Ce niveau de précision est principalement limité par la petite taille de nos échantillons et par les inhomogénéités de la densité qui y sont présents, ces deux caractéristiques amenant de faibles courants de rupture de l'EHQ (1-2 µA). Toutefois, nos résultats sont à ce jour les tests les plus précis concernant l'EHQ dans du graphène exfolié et les premiers tests sur une bicouche. Ils confirment le potentiel de l'EHQ dans le graphène pour une application en métrologie.