Interféromètres en graphène et dynamique des magnons dans les régimes de l'effet Hall quantique

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.