Thèse Etats de Majorana dans le Graphène Multicouche H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : CEA/SPEC - Service de Physique de l'Etat Condensé Direction de la thèse : Preden ROULLEAU ORCID 0000000283975019 Début de la thèse : 2026-11-01 Date limite de candidature : 2026-11-01T23:59:59 L'identification expérimentale non ambiguë des fermions de Majorana constitue l'un des défis majeurs de la physique de la matière condensée. Ces quasi-particules exotiques, caractérisées par leurs propriétés non abéliennes, représentent à la fois un enjeu fondamental et une voie prometteuse vers l'informatique quantique topologique.

Au cours de la dernière décennie, de nombreuses expériences réalisées sur des nanofils semi-conducteurs couplés à des supraconducteurs ont mis en évidence des signatures compatibles avec la présence de modes de Majorana. Toutefois, ces observations demeurent sujettes à controverse, car plusieurs mécanismes conventionnels peuvent produire des signatures similaires. L'obtention de preuves robustes et sans ambiguïté de l'existence de ces états reste donc une question ouverte.

Cette thèse propose d'explorer une approche alternative fondée sur des hétérostructures graphène-supraconducteur opérant en régime Hall quantique. Les canaux de bord chiraux du graphène constituent un environnement particulièrement favorable à l'émergence de phases supraconductrices topologiques et de modes de Majorana chiraux. Les progrès récents dans la fabrication de dispositifs hybrides graphène-supraconducteur permettent désormais d'étudier ces phénomènes dans des systèmes de grande qualité, hautement contrôlables par effet de grille et compatibles avec des mesures de transport de haute précision.

Le projet sera consacré à la réalisation, à la caractérisation et à l'étude de jonctions graphène-supraconducteur en régime Hall quantique. L'objectif sera de mettre en évidence les signatures expérimentales attendues de la supraconductivité topologique à travers des mesures de transport électronique, notamment de conductance différentielle, ainsi que par l'étude de géométries spécialement conçues pour révéler la présence de modes de Majorana chiraux.

Ce projet associera la physique mésoscopique, la supraconductivité topologique et la physique du graphène au sein d'une même plateforme expérimentale. Il contribuera au développement de nouvelles stratégies de détection des modes de Majorana et à une meilleure compréhension des états topologiques non triviaux dans les systèmes bidimensionnels. Les fermions de Majorana constituent l'une des thématiques les plus actives de la physique de la matière condensée. Ces quasi-particules exotiques, qui sont leur propre antiparticule, peuvent émerger dans certains états supraconducteurs topologiques et obéissent à des statistiques non abéliennes. Leur observation revêt un intérêt fondamental majeur et pourrait ouvrir la voie à de nouvelles architectures de calcul quantique topologique intrinsèquement protégées contre certaines sources de décohérence.

Malgré de nombreux résultats expérimentaux obtenus au cours de la dernière décennie, notamment dans des nanofils semi-conducteurs couplés à des supraconducteurs, l'identification sans ambiguïté des modes de Majorana demeure un défi. En effet, plusieurs mécanismes conventionnels peuvent reproduire des signatures expérimentales similaires, rendant nécessaire le développement de nouvelles plateformes et de nouvelles méthodes de détection.

Dans ce contexte, les hétérostructures graphène-supraconducteur représentent une plateforme particulièrement prometteuse. En régime Hall quantique, les canaux de bord chiraux du graphène peuvent être couplés à la supraconductivité par effet de proximité, ouvrant la possibilité de réaliser des phases supraconductrices topologiques et des modes de Majorana chiraux. Les progrès récents dans la fabrication de dispositifs hybrides de haute qualité, reposant sur l'encapsulation du graphène dans le nitrure de bore hexagonal et sur l'intégration de contacts supraconducteurs performants, permettent aujourd'hui d'explorer expérimentalement ces phénomènes dans des conditions de contrôle exceptionnelles.

Le projet s'inscrit à l'interface entre la physique mésoscopique, la supraconductivité topologique et la physique du graphène. Il vise à approfondir notre compréhension des états topologiques émergents dans les systèmes bidimensionnels et à développer de nouvelles approches expérimentales pour la détection des modes de Majorana. Fabriquer et caractériser des dispositifs hybrides graphène-supraconducteur de haute qualité fonctionnant en régime Hall quantique.
Étudier l'interaction entre la supraconductivité et les canaux de bord chiraux du régime Hall quantique dans des hétérostructures à base de graphène.
Mettre en évidence les signatures expérimentales de la supraconductivité topologique à l'aide de mesures de transport électronique, notamment par spectroscopie de conductance différentielle et mesures non locales.
Concevoir et étudier des géométries de dispositifs favorisant l'émergence et la détection de modes de Majorana chiraux.
Développer des simulations numériques et des modèles théoriques afin d'interpréter les résultats expérimentaux et d'optimiser les architectures de dispositifs.
Établir des protocoles permettant de distinguer de manière robuste les signatures des modes de Majorana des phénomènes de transport conventionnels.