Depuis la découverte de l’effet Hall quantique dans les années 1980, les propriétés exotiques des états quantiques topologiques comme les charges fractionnaires et les anyons ont profondément renouvelé notre compréhension du transport électronique en deux dimensions. Malgré des prédictions théoriques solides, les expériences permettant de sonder la nature ondulatoire et les mécanismes d’interaction de ces quasiparticules restent limitées. Si le bruit de grenaille a permis de mesurer leur charge effective, l’observation de leur comportement interférentiel nécessite des dispositifs plus complexes, tels que les interféromètres quantiques.
Dans ce contexte, cette thèse étend au régime fractionnaire l’utilisation des interféromètres Mach-Zehnder quantiques à base de graphène, déjà démontrés dans le régime de l’effet Hall quantique entier. Pour cela, des avancées importantes en nanofabrication ont été réalisées : les grilles métalliques ont été remplacées par des grilles en graphite séparées par des tranchées de moins de 80 nm de largeur, et les contacts de bord ont été optimisés grâce à un dopage par grille en silicium. Cette architecture a permis de réaliser les premières interférences quantiques pour l’état ν = 2/3 et d’en extraire des informations sur la reconstruction de la structure de ses canaux de bords, sa polarisation en spin et sa décohérence sous effet thermique et excitation DC.
Dans le régime entier, nous avons démontré la levée de la dégénérescence entre les deux boucles Mach-Zehnder de spins opposés, révélant un comportement analogue à celui d’un système de gomme quantique d’un interféromètre dont la cohérence est supprimée par la mesure de l’autre. Plus largement, la cohérence est sensible aux interactions coulombiennes entre canaux de bord que nous avons observées être responsables d’appariement électronique au sein d’un seul canal. Une géométrie modifiée a également permis de séparer la contribution du canal interne de celle du canal externe à ν = 2, en explorant leur interaction mutuelle pouvant servir à générer des états intriqués à deux électrons de spin opposé.
Enfin, nous avons exploité le régime ferromagnétique à ν = 1 pour générer et détecter des magnons (ondes de spin), dont nous avons étudié la propagation. En plaçant une région adjacente à ν = 1 + ε, nous avons mis en évidence la formation de skyrmions, confirmée par la diffraction des magnons à travers la constriction dopée à la grille en silicium.
Mots-clés : Magnons, Vallée-Tronique, Effet Hall Quantique Entier et Fractionnaire, Effet Aharonov-Bohm, Jonction pn en Graphène, Interféromètre électronique de Mach-Zehnder.
Edge states and magnonic graphene interferometers in quantum Hall regimes
Since the discovery of the quantum Hall effect, novel states of matter—characterized by phenomena such as fractional charge and anyonic excitations—have reshaped our understanding of two-dimensional electronic transport. Yet, no single experimental approach can fully capture the dual particle- and wave-like nature of these exotic quasiparticles. While shot-noise measurements have shed light on their particle aspects, interferometric techniques are indispensable for probing their wave properties and potential non-Abelian statistics.
This thesis advances quantum Hall interferometry in graphene, a platform renowned for its long coherence lengths, into the fractional regime. Building on earlier Mach–Zehnder interferometry at integer filling factors, we developed a nanofabrication scheme based on patterned graphite gates, combined with edge-contact engineering via silicon back-gate doping. This architecture enabled the first observation of interference at filling factor ν = 2/3. From these measurements, we extracted the spin polarization and edge structure of the fractional state and studied its decoherence mechanisms under varying temperature and DC bias.
In the integer regime, we demonstrated spin degeneracy breaking between copropagating edge channels and uncovered quantum eraser-like behavior: the coherence of one interferometer could be suppressed by measurements performed on the other. A novel device geometry further allowed independent access to inner and outer edge channels, revealing their mutual dephasing and distinct interference responses under bias.
Finally, in the ferromagnetic quantum Hall regime at ν = 1, we explored magnon emission and diffraction. By tuning a downstream region to ν = 1+ϵ, we entered a regime suggestive of skyrmion formation, as evidenced by directional modifications of spin-wave propagation. This led to the realization of a magnon diffraction experiment, providing new insights into the spin textures of interacting edge states in graphene.
Keywords: Magnons, Valleytronics, Integer and Fractional Quantum Hall Effect, Aharonov-Bohm Effect, Graphene PN junction, Electron Mach-Zehnder Interferometer.