Thèse Isolants de Chern Fractionnaires dans les Matériaux de Moiré H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris Cité
École doctorale : Physique en Ile de France
Laboratoire de recherche : Matériaux et phénomènes quantiques
Direction de la thèse : Christophe MORA ORCID 0000000286516774
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59

Ce projet de thèse s'inscrit dans l'étude des phases topologiques de la matière, issues notamment de la découverte de l'effet Hall quantique. Ce phénomène, caractérisé par des plateaux de résistance quantifiés et robustes, a conduit à la caractérisation des matériaux topologiques et à la notion d'ordre topologique. Les propriétés en résultant sont protégées par la topologie et présentent un fort potentiel pour des applications comme le calcul quantique.

Des extensions de cet effet, comme l'effet Hall quantique fractionnaire, font apparaître des quasi-particules exotiques appelées anyons, de charge fractionnaire. Plus récemment, des états analogues ont été observés sans champ magnétique externe dans des isolants de Chern, en particulier dans des bicouches torsadées de dichalcogénides de métaux de transition (TMD), où un réseau moiré émerge à certains angles dits « magiques ».

Cependant, ces systèmes diffèrent de l'effet Hall quantique fractionnaire conventionnel en présence d'un champ magnétique. Le champ magnétique effectif y est inhomogène et les anyons possèdent une masse effective, ce qui peut engendrer de nouvelles phases de la matière. Des nouvelles perspectives sont ainsi ouvertes : formation possible d'états supraconducteurs via l'appariement d'anyons, modification des propriétés optiques, ou encore compétition avec d'autres phases électroniques comme les cristaux de Wigner ou les ondes de densité de charge. De plus, la possibilité d'accéder à des nombres de Chern supérieurs à 1 suggère l'émergence de phases topologiques inédites.

L'objectif de la thèse est de mieux comprendre l'origine microscopique de ces phénomènes dans les matériaux de moiré. Le travail combinera des approches analytiques et numériques (Monte-Carlo, diagonalisation exacte) afin de caractériser ces systèmes, interpréter les résultats expérimentaux récents et proposer de nouvelles prédictions.

La réalisation de structures de moiré dans le graphène twisté à conduit à de nombreux résultats expérimentaux des dernières années.
Ces systèmes se sont récemment imposés comme des plateformes prometteuses pour l'émergence de phases exotiques de la matière telles que le ferromagnétisme orbital, les phases corrélées, la supraconductivité, les phases nématiques, les phases topologiques, l'effet Hall quantique anormal, les fermions lourds ou encore le transport à la limite planckienne. Il s'agit dans cette thèse de bien comprendre la topologie de ces bandes et comment elle affecte le transport et permet l'émergence d'un effet quantique Hall fractionnaire sans champ magnétique.

Obtenir une description générale des aspects topologiques des bandes plates dans les moirés

Il s'agira d'étudier d'un point de vue analytique et numérique les modèles décrivant les bandes dans ces matériaux. On appliquera ensuite des approches standard rendant compte de la topologie. On regardera aussi l'effet des interaction, soit via des calculs Hartree- Fock, de la diagonalisation exacte et des approches Monte-Carlo.