Étude des états de bord topologiques hélicaux dans Bi₄Br₄, un isolant topologique d'ordre deux

L'un des plus grands succès récents de la physique de la matière condensée est la découverte d'une nouvelle classe de matériaux, les isolants topologiques (TI), dont le bulk est isolant, tandis que les bords conduisent le courant d'une manière quasi-idéale. En particulier, les bords 1D des IT 2D réalisent l'état de Hall quantique de spin, où le courant est transporté sans dissipation par deux états de bord balistiques contrapropageants, avec une orientation de spin verrouillée sur celle de la direction de propagation (un état de bord hélicoïdal). Cela ouvre de nombreuses possibilités, allant du transport de charge et de spin sans dissipation à température ambiante, à de nouvelles voies pour l'informatique quantique. La classification des TI a été récemment étendue, avec la découverte des isolants topologiques d'ordre 2 (SOTI), qui sont des cristaux tridimensionnels dont le bulk et les surfaces sont isolantes, mais qui présentent des états "charnières" hélicoïdaux unidimensionnels conducteurs (topologiquement protégés). Expérimentalement, quelques seuls quelques matériaux ont pu être identifiés comme SOTIs, tels que le bismuth et le WTe₂. Cependant, la plupart des SOTIs présentent aussi des surfaces ou un volume conducteurs ; les états topologiques coexistent donc avec des états non topologiques. Récemment, d'autres matériaux ont pu être proposées comme faisant partie de cette nouvelle famille d'isolants topologiques. Parmi eux, Bi₄Br₄ est particulièrement intéressant car son bulk et ses surfaces sont véritablement isolants.Durant cette thèse, nous avons d'abord étudié le transport électronique basse température à l'aide d'électrodes normales. Nous avons ainsi pu mettre en évidence un régime de conduction très particulier, où les contacts forment une interface désordonnée faiblement cohérente avec des états 1D balistiques cohérents, dont les signatures expérimentales sont des interférences Aharonov-Bohm entre états 1D, ainsi que des phénomènes fluctuations de conductance et d'antilocalisation faible témoignant d'une diffusion anormale dans l'échantillon. Par ailleurs, nous avons mené des expériences de microscopie à force atomique (AFM) avec des pointes conductrices à température ambiante, qui nous ont permis de montrer l'extrême robustesse des états topologiques de Bi₄Br₄. Enfin, avons tenté de réaliser des dispositifs avec des électrodes supraconductrices, qui devraient fournir des preuves particulièrement claires du caractère 1D balistiques des états topologiques, et des résultats préliminaires ont été obtenus.