Nous vivons actuellement la deuxième révolution quantique, au cours de laquelle des avancées majeures dans les technologies liées aux composants à l’état solide ont été réalisées en concevant des matériaux présentant différentes conductivités électriques (métaux, isolants, semi-conducteurs (SEMI)), pour finalement atteindre une conductivité infinie dans les supraconducteurs refroidis (SC). Cet écosystème florissant a été enrichi par la découverte récente d'une nouvelle classe de matériaux aux propriétés électroniques remarquables - les matériaux topologiques (TOP) - qui animent désormais les travaux théoriques et expérimentaux en physique de la matière condensée (1). Des progrès significatifs dans la compréhension des propriétés fondamentales des matériaux, la conception de nouveaux processus de fabrication et la découverte de nouveaux systèmes de matériaux sont nécessaires pour exploiter pleinement le potentiel des dispositifs quantiques à semi-conducteurs. Les qubits de spin supraconducteurs, les qubits de spin dans des boîtes et les systèmes de qubits topologiques sont généralement fabriqués en combinant plusieurs matériaux aux propriétés fondamentalement différentes - intégration hétérogène - dans des jonctions hybrides SC/SEMI et SC/TOP. Il s’agit d’un défi important en science des matériaux, car tout défaut structurel ou rugosité à l’interface entre deux matériaux compromettrait la capacité de détection et de manipulation des états quantiques. Les propriétés de ces jonctions hybrides sont affectées par la pureté de l'interface au sein de l'hétérostructure, où la présence d'oxydes, d'impuretés ou de défauts structurels est une source néfaste de bruit et de dissipation dans ces systèmes (2).
L’objectif de cette thèse de doctorat est de développer une plate-forme matériau évolutive où les propriétés quantiques peuvent être façonnées simplement en adaptant la structure cristalline d’un seul élément atomique – l’étain (Sn) – et qui permet d’obtenir des interfaces de la plus haute qualité. Les phases isolantes topologiques/semi-métalliques peuvent être modulées dans l'a-Sn cubique diamant en contrôlant la déformation, (3) tandis que le ß-Sn tétragonal centré se comporte comme un supraconducteur à des températures inférieures à 4 K. (4) Actuellement, basculer entre les phases a-Sn et ß-Sn est hors de portée en utilisant la géométrie conventionnelle des couches minces.
Le doctorant établira la croissance de nanofils de Sn (NW) unidimensionnels (1D) sur une plaquette de silicium à l'aide d'un système d'épitaxie par jets moléculaires (MBE). Les NW offrent le système idéal pour contrôler la phase cristalline d'un matériau sans défauts structurels de nucléation. (5) Dans cette thèse, ce paradigme d'ingénierie de la phase cristalline sera développé pour les NW du groupe IV afin d'obtenir un contrôle précis de la croissance des phases a-Sn et ß-Sn (c'est-à-dire les phases TOP et SC). Ce protocole permettra ensuite la croissance de NW a/ß-Sn sans défauts, avec des interfaces définies à l’échelle atomique et avec la plus haute qualité structurelle. Ce matériau nanostructuré permettra une intégration véritablement homogène de plusieurs états de la matière dans des dispositifs quantiques à l'état solide, ouvrant la voie à l'exploration des processus fondamentaux du calcul quantique topologique(6), de la spintronique(7) et de la photonique quantique(8).
L'étudiant étudiera les propriétés structurelles (microscopie électronique à balayage, microscopie à force atomique, microscopie électronique en transmission, diffraction des rayons X, tomographie par sonde atomique) et les propriétés optiques (Raman) des NW a/ß-Sn en utilisant une variété de techniques de caractérisation disponibles au CEA. Pour démontrer la présence des phases TOP ou SC dans ces nanomatériaux, l'étudiant fabriquera un transistor à effet de champ (FET) à NW (transfert de NW unique sur un substrat SiO2/Si, lithographie par faisceau d'électrons, dépôt de métaux et d'oxydes). Ensuite, des mesures de magnétotransport à des températures cryogéniques (1 K ou moins) seront effectuées pour démontrer le comportement TOP de la phase a-Sn et SC de la phase ß-Sn. Cette thèse formera l'étudiant avec un ensemble de compétences diversifiées allant de la croissance des matériaux, la caractérisation structurelle et optoélectronique, à la fabrication de dispositifs et aux mesures de transport quantique.
(1) P. Liu et al., Nat. Rev. Mater. 4, 479–496 (2019).
(2) N. P. de Leon et al., Science 372, 1–20 (2021).
(3) A. Barfuss et al., Phys Rev Lett. 111, 157205 (2013).
(4) Y. Zhang et al., Sci Rep. 6, 32963 (2016).
(5) S. Assali et al., Nano Letters. 15 (12) (2015).
(6) A. Stern et al., N. H. Lindner, Science. 339, 1179-1184 (2013).
(7) J. Ding et al., Advanced Materials. 33, 2005909 (2021).
(8) E. D. Walsh et al., Science. 372, 409-412 (2021).