Thèse soutenue le 13 décembre 2023 pour obtenir le grade de docteur de l'Université Grenoble Alpes - Spécialité : Physique des matériaux

Résumé :
Certains matériaux comme le silicium cristallin ou le graphène possèdent un degré de liberté de vallée. Cette dégénérescence partage les mêmes caractéristiques que le spin, raison pour laquelle c’est un candidat prometteur concernant la manipulation d’informations quantiques. Pourtant, l’observation d’une multitude de facteurs influant sur l’énergie séparant les vallées montre la complexité des mécanismes devant être mis en œuvre pour une telle manipulation. Nous pouvons notamment lister la nature et la qualité des interfaces qui contraignent les électrons participant au transport de charges, le champ électrique dans la structure, la densité de charge libre et une contribution potentielle des interactions électroniques. Nous rapportons dans ce travail une étude de l’énergie séparant les vallées dans un transistor en silicium à deux grilles différentes dans lequel nous pouvons contrôler précisément via un potentiel électrique la position des électrons par rapport aux interfaces. En mesurant la conductivité de notre échantillon sous champ magnétique et à basse température, nous avons pu extraire l’énergie séparant les vallées tout en contrôlant finement l’ensemble des paramètres externes.
Nous reportons un contrôle de l’énergie séparant les vallées via un potentiel électrique lorsque le gaz d'électrons est proche d’une interface, attirant les charges dans son voisinage, en accord qualitatif avec la théorie. De plus, nous observons une importante contribution attribuée aux interactions entre électrons, amplifiée par l’application d’un champ magnétique perpendiculaire. Nous proposons un model consistant à ajouter une contribution provenant de ces mêmes interactions, elles-mêmes dépendantes du niveau de polarisation en vallée du système. Cette contribution est dominante dans le régime de Hall quantique où le champ magnétique perpendiculaire agit comme un catalyseur de polarisation en augmentant la dégénérescence de chaque niveau de Landau. Cette approche nous permet de comprendre la littérature existante dans le silicium bidimensionnel et, en particulier, de prédire de complexes changements de hiérarchies observées entre les gaps de spin et de vallée. Nous discutons finalement des implications pour une possible polarisation spontanée de vallée induite par les interactions entre électrons dans un système suffisamment dilué.

Jury :
Rapporteur : Benoît Jouault
Rapporteur : Gennser Ulf
Examinateur : Kei Takashina
Examinatrice :  Belita Koillre
Examinateur :  hermann Sellier
Directeur de thèse : Vincent Renard
Co-directeur de thèse : Benjamin Piot

Mots clés :
Silicium, Vallée, Interactions, Champ électrique, Polarisation, MOSFET