Doctorant etude des propriétés intrinsèques des isolants topologiques magnétiques h/f

Magnétotransport dans les monocouches d’isolant topologique magnétique
Vers un dispositif à effet Hall quantique Anormal de MnBi2Te4 pour la métrologie
Co-tutelle franco-allemande: LNCMI-Toulouse, IFW-Dresden (Allemagne)
Contexte scientifique:
Le concept de transition de phase topologique (sujet du prix Nobel de physique en 2016) a généré
énormément de recherche en physique fondamentale et appliquée dans les 20 dernières années, dans
des domaines aussi variés que la recherche en matériaux, l’optique, l’électronique et la métrologie. En
physique de la matière condensée, les systèmes topologiques sont caractérisés par l’existence d’états
métalliques entourant un système isolant. Ainsi, les phases topologiques à deux dimensions, tel l’effet
Hall quantique (QHE) à très fort champ magnétique, ont des canaux de bords unidimensionnels (1D)
métalliques autour d’une surface isolante ; tandis que les isolants topologiques 3D (3DTI, tels la famille
Bi2Se3-Bi2Te3) ont des états de surface métalliques avec des propriétés fascinantes (texture de spin
hélicoïdale, structure de bande linéaire similaire à celle du graphène).
Récemment, un nouveau type de 3DTI intrinsèquement magnétique a été découvert, MnBi2Te4. En
plus de ses états de surface, MnBi2Te4 a montré un effet Hall quantique anormal (QAHE) avec une
conductance quantifiée de 𝑒2/ℎ, similaire à celle du QHE (qui est le standard international de
résistance et la base de la métrologie quantique depuis 2019) – mais stable en l’absence de champs
magnétique appliqué. Les interactions entre propriétés magnétiques, électroniques et topologiques
dans ce système sont encore mal comprises et un sujet de recherche très actif. Étudier ces interactions
permettra de mieux comprendre le QAHE, et de renforcer ses propriétés pour le rendre compatible
avec les conditions de mesure nécessaires pour des applications en métrologie quantique.
Objectifs du projet:
Le but de ce projet de thèse est l’étude des propriétés électroniques des nanostructures de MnBi2Te4,
et d’explorer le lien entre propriétés magnétiques, électroniques et topologiques, par des mesures de
transport électrique à basse température (1.5K) et très fort champ magnétique (60-90T). La croissance
des couches minces de MnBi2Te4 (épaisseurs de 30nm à une seule monocouche) est faite par nos
collaborateurs à l’université de Würzburg. La nanofabrication sera réalisée dans la salle blanche de
l’IFW. Les mesures de magnétotransport seront menées au LNCMI, un des rares laboratoires au monde
à pouvoir atteindre 90T, permettant la spectroscopie des niveaux de Landau dans MnBi2Te4.
Pour ce projet, l’étudiant.e rejoindra un réseau de recherche dynamique sur les isolants topologiques
entre Toulouse, Dresden, Würzburg et Grenoble, et sera associé.e à toutes les étapes de recherche :
- préparation des nanostructures de MnBi2Te4 en salle blanche en lithographie laser/e-beam (à l’IFW)
- l’étude en magnétotransport jusqu’à la monocouche (au LNCMI)
- l’analyse et la compréhension des données, la comparaison avec des modèles
- la présentation de leur recherche dans des articles et à des conférences locales/ internationales.

Contexte de travail
Dans le cadre d’une collaboration international franco-allemande entre le LNCMI-Toulouse (France) et
l’IFW-Dresden (Allemagne), un contrat doctoral (couplé à un stage de master) est ouvert au LNCMI,
pour un début de thèse idéalement en octobre 2025. Le projet de recherche fondamentale porte sur
l’étude des propriétés intrinsèques des isolants topologiques magnétiques, une phase électronique de
la matière récemment découverte et qui démontre déjà son potentiel pour la métrologie quantique.
Financement: thèse intégralement financée par le projet franco-allemand IMAGIN (projet ANR-DFG)
Lieu: LNCMI, Toulouse. La thèse étant en cotutelle avec l’IFW, plusieurs séjours de recherche sont
prévus à l’IFW (en particulier pour la nanofabrication) – à discuter.
Durée: 3 ans (durée réglementaire ; les candidats à la thèse doivent avoir un diplôme de master)