Thèse Sondage de la Fonction Spectrale des États d'Effet Hall Quantique Anomal par Spectroscopie Tunnel Résolue en Énergie et en Moment. H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies Direction de la thèse : Rebeca RIBEIRO ORCID 0000000161693128 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-17T23:59:59 Dans ce projet, nous proposons de combiner une technique de spectroscopie tunnel résolue en énergie et en moment (MERTS) avec des mesures de transport de charge et un contrôle de l'alignement cristallographique, afin d'étudier l'origine des états d'effet Hall quantique anomal dans les systèmes de graphène/nitrure de bore (BN) moirés. La corrélation entre la fonction spectrale, obtenue par MERTS, et les propriétés de transport de charge à mesure que la longueur d'onde moirée évolue lors de la variation de l'alignement, nous permettra de comprendre la relation entre l'alignement cristallographique (brisure de symétrie) et l'observation de l'effet Hall quantique anomal, ainsi que la manière dont celui-ci modifie la topologie des bandes électroniques. The quantum anomalous Hall effect combines topology and magnetism to generate perfectly conductive, chiral edge states, giving rise to quantized Hall resistance in the absence of a magnetic field. This is only possible in systems with broken time reversal symmetry (spontaneous magnetization) and non-trivial topological bands. These perfectly conductive chiral edge states have been proposed to improve interconnection between quantum devices, host Majorana modes when in proximity with superconductors and be used as metrological quantum Hall resistance standard without magnetic field. Unfortunately, investigating these materials experimentally has been hard due to the complexity of the materials, difficult technological processes to connect them electrically and lack of techniques that allow us to directly probe their electronic band structure. We propose to combine features this momentum and energy-resolved tunneling spectroscopy techniques with charge transport and in situ angular control, to investigate the origin of the anomalous quantum Hall effect in graphene-based systems. In order to achieve the scientific objectives of this project we propose to develop the following task during the PhD thesis:

Task 1.1: Built van der Waals heterostructures with an optimized tunneling barrier between the layers, this is given by a crystallographic alignment between the layers and it will be achieved first by trying several thicknesses of BN (insulating layer), from monolayer to 10 layers seem to be ideal [Nano Lett. 21, 8332 (2021)]. The second step will be to use a predefined rotator made of graphite to probe the tunnelling as a function of the layer alignment.
Task 1.2: Proof of principle at room temperature of the optimized tunnelling between the layers will be given by the measurements of twist angle dependence of the tunnelling current. This measurement is equivalent to the QTM measurements [Nature 614, 682 (2023) and ArXiv:2507.03189 (2025)] and allow us to extract the electronic band structure in a linecut of the momentum space.
Task 1.3: Measurements at low temperatures in a rotating in plane magnetic field. For this we plan to use our 1.5 K cryogenic system and insert a rotator to change the in plane magnetic field. These results combined with the results of task 2 will validate the technique and clarify the feasibility of the MERTS technique in 2D materials.

Task 2.1 Develop devices for MERTS (using results of WP1) made of rhombohedral graphene. The technological processes to made good rhombohedral samples are more complicated than the ones of regular monolayer or bilayer graphene. The PhD candidate already acquired this knowledge during his M2 internship with us, under the co-supervision of Jorge Vallejo-Bustamante, postdoc in the group.
Task 2.2 Low temperature charge transport and MERTS measurements in rhombohedral graphene. This experiment will allow us to know when we are in the QAHE regime and which is its associated spectral density.

Le/la candidat(e) devra être titulaire d'un M2 en physique, avec de solides connaissances en physique de la matière condensée, en particulier sur les matériaux bidimensionnels. Une expérience en fabrication d'échantillons (nanofabrication, lithographie, salles blanches) et en dispositifs quantiques est fortement souhaitée. Des compétences en techniques expérimentales (mesures de transport, cryogénie, électronique de mesure) ainsi qu'une bonne compréhension des concepts de structure de bande et de topologie seront appréciées. Le/la candidat(e) devra également faire preuve d'autonomie, de rigueur scientifique, d'esprit d'initiative et d'une capacité à travailler en équipe dans un environnement de recherche interdisciplinaire. Une bonne maîtrise de l'anglais scientifique (écrit et oral) est requise.