Missions

Étude du magnéto-transport dans les isolants topologiques jusqu’à 70 T : vers l’effet Hall quantique anormal dans des hétérostructures topologiques

La principale propriété des matériaux topologiques est l’existence d’interfaces métalliques entre deux systèmes topologiquement distincts ou simplement entre un matériau topologique et le vide, c’est-à-dire des surfaces métalliques pour les isolants topologiques 3D et des bords métalliques pour les phases topologiques 2D. Comme leur existence est garantie par la structure de bande du matériau, ces états sont dits « topologiquement protégés », dans le sens où leur existence n’est pas directement affectée par le désordre ou la géométrie, tant que ceux-ci ne modifient pas fondamentalement la structure de bande. De plus, en raison de leur chiralité, ces états de bord sont protégés contre la rétrodiffusion, les rendant « sans dissipation », comme dans l’effet Hall quantique anormal (QAH).

Avec la découverte récente d’isolants topologiques 3D magnétiques (3DTI), de nouvelles voies se sont ouvertes pour la recherche fondamentale sur les matériaux topologiques. En particulier, les hétérostructures composées de 3DTI magnétiques et non magnétiques offrent des perspectives prometteuses pour des systèmes QAH à haute température, avec des applications possibles en métrologie. En effet, dans l’effet Hall quantique, la quantification transversale en unités de e²/h peut atteindre une précision extraordinaire, meilleure que 1e-10, ce qui définit désormais l’étalon primaire du courant en métrologie. Toutefois, toute conception d’hétérostructure complexe doit s’appuyer sur un contrôle précis et une compréhension des propriétés matérielles, électroniques et topologiques des 3DTI. Dans ce projet, nous proposons de caractériser les propriétés électroniques de dispositifs à grille de couches minces d’isolants topologiques 3D épitaxiés (BiSb, BiSbTe et BiSbTeSe), synthétisés à Toulouse, en vue d’une hétérostructuration ultérieure des 3DTI.

Étant donné les mobilités relativement faibles des couches minces de 3DTI (généralement inférieures à ~1000 cm²/V.s), les oscillations Shubnikov-de Haas (spectroscopie des niveaux de Landau) devraient être visibles dans des nanostructures à grille de 3DTI épitaxiés en utilisant des champs magnétiques pulsés jusqu’à 70 T. Cela permettra de caractériser les différentes populations électroniques de l’hétérostructure (masse effective, potentiel chimique, courbure de bande), y compris les états de surface topologiques, ce qui est extrêmement difficile ou impossible à bas champ magnétique. Le laboratoire LNCMI est l’un des quatre seuls laboratoires au monde où ces mesures peuvent être réalisées. L’objectif ultime est de combiner des isolants topologiques faiblement dopés et bien contrôlés en des hétérostructures topologiques présentant l’effet QAH..

Activités

• Fabriquer des nanostructures à grille à partir de couches minces de différents isolants topologiques 3D (BiSb, BiSbTe, BiSbSeTe) en collaboration avec le LAAS
Khaled, M. A. et al., ACS Appl Electron Mater 6, 3771–3779 (2024); Abdelrahman, N. et al., J Mater Chem C Mater 12, 18416-18426 (2024)

• Étudier les propriétés électroniques des populations de porteurs triviales et topologiques (densité de porteurs, mobilité, masse effective, courbure de bande) par spectroscopie des niveaux de Landau à fort champ magnétique jusqu’à 70 T au LNCMI
Veyrat, L. et al., Nano Lett 15, 7503–7507 (2015)

• Collaborer avec les théoriciens du CEMES pour comparer les expériences avec les calculs de structure de bande basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).

Compétences

- Doctorat en physique de la matière condensée (obligatoire)
- Expérience en nanofabrication (souhaitée)
- Expérience en transport électrique (souhaitée)
- Anglais scientifique écrit et oral (niveau B2 souhaité, publications/conférences/collaborateurs)
L’usage des installations de Toulouse nécessitera de passer une habilitation électrique H0B0 (formation assurée par l’unité)

Contexte de travail

Le Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses(LNCMI), situé sur 2 sites (Toulouse et Grenoble), est un laboratoire du CNRS et un Très Grand Instrument de Recherche (TGIR). Il est associé à l’INSA Toulouse, l’Université Grenoble Alpes (UGA), et l’Université Paul Sabatier (UPS, Toulouse).

Le LNCMI permet aux chercheurs d’effectuer des expériences dans les champs magnétiques parmi les plus intenses au monde. Des champs continus jusqu’à 42 T sont disponibles sur le site de Grenoble et des champs pulsés jusqu'à 88T sont disponibles sur le site de Toulouse.

Le postdoctorat aura lieu au sein de l’équipe Nanostructures quantiques et matière topologique (« Nano ») au LNCMI Toulouse composée de 5 permanents.

Ce projet renforce et développe une collaboration locale entre trois laboratoires toulousains : le LNCMI (mesures de transport à très hauts champs), le CEMES (théorie, DFT) et le LAAS (croissance épitaxiale et nanofabrication).

Contraintes et risques

La date de commencement du poste est au plus tard juillet 2026, pour une durée de 18 mois initiale, avec possibilité de prolongation de 6 mois à la fin.

Des déplacements nationaux et internationaux de quelques semaines par an sont à prévoir pour aller présenter les résultats en conférence et se former dans des écoles thématiques.