HDR defense – Nanostructures of disordered 3D topological insulators

On Tuesday, October 20th at 14h00, Romain Giraud from CEA/SPINTEC-Univ. Grenoble Alpes will defend his HDR (Ability to Supervise Research) entitled :

Nanostructures of disordered 3D topological insulators

Place : CEA Building 10.05 auditorium 445  (contact : romain.giraud@cea.fr)

Abstract : My experimental research activities focus on spin-related quantum phenomena in magnets and low-dimensional conductors, mostly studied by electrical transport measurements at very low temperatures and in 3D vector magnetic fields. In particular, novel quantum electronic phases are investigated in nanostructures of topological materials, such as strong 3D topological insulators (3D TIs) induced by spin-orbit coupling, for which the influence of the geometric Berry phase can lead to spin-textured gapless quasi-particles.

In this dissertation, a first part gives an exhaustive review of the results obtained on nanostructures of disordered 3D topological insulators, from nanoflakes to nanowires. Quantum transport measurements are used to evidence some unique properties of spin-helical 2D Dirac fermions, due to their anisotropic scattering by disorder. In quasi-1D quantum wires, confinement in reduced dimension leads to quasi-ballistic transport, with a hollow-conductor geometry as for carbon nanotubes and semiconducting core-shell nanowires, but with strong disorder.
The second part describes my on-going research project, with the aim to investigate 1D dissipationless spin-polarized chiral edge states. Two directions are followed: i) the search for the perfectly-transmitted mode in (Bi,Sb)Te nanowires or in core-shell 3D TI heterostructures; ii) the search for the quantum anomalous Hall and axion insulator regimes (among other topological phases) in novel magnetic topological insulators of the MnBi2Te4 family, and related materials.

Keywords: nanostructures, topological insulators, magnetism, spintronics.

Résumé : Mon activité scientifique porte principalement sur l’étude des phénomènes quantiques en nanoélectronique et nanomagnétisme, notamment en basse dimension dans des nanostructures, et particulièrement des propriétés de magnéto-transport dépendant du spin de nouvelles phases topologiques (isolants topologiques, semi-métaux de Weyl,…).

Ce manuscrit décrit mes travaux de recherche sur le transport de charges dans des nanostructures d’isolants topologiques 3D, avec la mise en évidence de la diffusion anisotrope des états de surface (fermions de Dirac 2D texturés de spin) et, surtout, l’étude du confinement transverse dans des nanofils quantiques et du transport quasi-1D quasi-balistique, malgré un fort désordre intrinsèque.

Le projet scientifique s’articule autour de deux stratégies permettant de réaliser le transport balistique 1D, par des canaux de bords texturés de spin : les modes de surface confinés dans des nanofils quantiques 3D TI, et les canaux de bord dans des isolants topologiques magnétiques.
Dans ces derniers, la nature de la structure de bande pourrait être contrôlée par l’aimantation, manipulable en champ magnétique faible, voire par une grille électrostatique.
Un objectif est la réalisation de conducteurs balistiques chiraux, d’intérêt pour les technologies de l’information classique et quantique (interconnexion,…).

Mots-clés : nanostructures, isolants topologiques, magnétisme, éléctronique de spin.

Jury :

Rapporteurs :
Prof. Stephan ROCHE, ICN2 Research Scientist, ICN2/UAB (Barcelona, Spain)
Prof. Sebastian GÖNNENWEIN, TU Dresden Professor, IFMP (Dresden, Germany)
Dr. Michel VIRET, CEA Research Scientist, CEA SPEC (Saclay, France)

Examinateurs :
Prof. Sergio VALENZUELA, ICN2 Research Scientist, ICN2/UAB (Barcelona, Spain)
Dr. Olivier FRUCHART, CNRS Research Scientist, CEA SPINTEC (Grenoble, France)
Prof. Mairbek CHSHIEV, UGA Professor, CEA SPINTEC (Grenoble, France)


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