Résumé
L’effet Hall quantique de spin (QSHE) est un nouvel état de la matière découvert grâce à l'introduction de la topologie en physique de la matière condensée. La topologie, initialement mathématique, a permis de classer les états de la matière, révélant de nouveaux états exotiques.Le QSHE, état topologiquement non trivial, se manifeste dans des matériaux bidimensionnels avec deux états de bord conducteurs et un bulk isolant. Ces états de bord, composés de fermions de Dirac, sont contre-propagatifs et leur direction de propagation dépend de leur état de spin. Ils sont également protégés contre la rétrodiffusion par la symétrie d’inversion du temps, ce qui garantit une conductance quantifiée sans champ magnétique.Le triple puit InAs/GaInSb/InAs est bien adapté pour l'observation expérimentale des états de bord topologiques grâce à son grand gap inversé, qui peut théoriquement atteindre 50 meV. L'objectif de ce travail était de démontrer le QSHE dans de telles structures.Pour cela, j'ai développé un processus technologique au Centre Technologique de l'Université de Montpellier (CTM) afin de fabriquer des dispositifs de type H-bar à partir de structures épitaxiées à l'Institut d'Électronique et des Systèmes (IES). Parallèlement, j'ai reçu des échantillons de type Hall-barres du groupe Technische Physik de l'université de Würzburg.J'ai étudié ces échantillons par des mesures de magnéto-transport au Laboratoire Charles Coulomb (L2C) jusqu'à 13 T, et au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI) à Toulouse jusqu'à 55 T.Plusieurs approches ont été envisagées pour démontrer le QSHE. Nous avons d'abord développé un modèle numérique permettant de dissocier les contributions de la conduction du bulk et des bords sur des barres de Hall. Une étude de la dépendance en température des deux contributions a permis de confirmer la valeur du gap inversé et de tenter d'identifier les mécanismes de rétrodiffusion. La deuxième approche a consisté à mettre en évidence des propriétés typiques de la structure de bande inversée. En effet, dans une telle structure, les extrémités de bande peuvent être thermiquement activées, entraînant des oscillations anormales de la magnétorésistance dans le gap. De plus une évolution particulière de certains niveaux de Landau mène à la fermeture du gap à un champ magnétique critique, fournissant une preuve indirecte de la topologie non triviale du système. Enfin, la troisième approche, plus directe, consistait à quantifier directement la conduction des états de bord à partir des mesures de transport, avec des composants en forme de H ayant des longueurs de bord plus courtes que la longueur de cohérence balistique.Ces différentes approches m’ont permis de confirmer pour nos structures, i) une gap de 30 meV, ii) une fermeture du gap à 15 T, iii) la présence d’oscillations anormales dans le gap. J’ai également développer des briques technologiques pour la fabrication de composants QSHE.