Étude expérimentale de la quantification de l'effet Faraday dans un gaz bidimensionnel d'électrons et écrantage du champ électrostatique dans un supraconducteur

Abstract

Dans cette thèse, nous présentons deux expériences originales que nous avons conçues et construites depuis le début. La première consiste à mesurer la rotation de Faraday quantique dans un gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG) à des fréquences micro-ondes et la seconde à sonder la longueur d’écran électrostatique dans les supraconducteurs. L’expérience sur la rotation de Faraday nous a permis de réaliser une mesure quantitative de la rotation de Faraday micro-ondes sur le 2DEG AlGaAs/GaAs. Nous avons effectué des mesures avec plusieurs 2DEGs de différentes mobilités. Les mesures effectuées sur un échantillon à faible mobilité (μ ≃ 1×106 cm2 V−1 s−1) révèlent la quantification de l’angle de Faraday dans le régime de Hall quantique. L’angle de Faraday observé est quantifié en unités d’une constante de structure fine effective, α∗ > α. Cette augmentation est due au fait que nous effectuons nos mesures en présence d’un guide d’ondes et non en espace libre. Cependant, avec des 2DEGs de plus grande mobilité qui peuvent accueillir des états de Hall quantique fractionnels, aucun plateau n’est observé. Cette expérience présente également l’avantage de sonder les systèmes de Hall quantique par une approche non invasive. La deuxième expérience permet de sonder directement la longueur de l’écran électrostatique. Elle est basée sur l’idée que la capacité d’un condensateur est sensible au changement de la longueur d’écran électrostatique. Avec la configuration de mesure, nous pouvons mesurer des changements de capacités aussi petits que 0,3 ppm à notre fréquence de mesure de 400 Hz. Cela correspond à une sensibilité de mesure de 1 partie de 104 dans la longueur d’écran. En utilisant ce dispositif, nous avons réalisé des expériences pour mesurer le changement de longueur de blindage électrostatique associé à la transition supraconductrice dans le Ti et le Nb et nous avons observé un signal minuscule et reproductible pour lequel nous n’avons pas encore d’explication.

Abstract : In this thesis, we present two original experiments that we have designed and built from the beginning. The first one is to measure quantum Faraday rotation in two dimensional electron gas (2DEG) at microwave frequencies and the second one to probe electrostatic screening length in superconductors. The experiment on the Faraday rotation allowed us to perform a quantitative measurement of microwave Faraday rotation on AlGaAs/GaAs 2DEG. We carried out measurements with several 2DEGs of different mobilities. The measurements carried out on a low mobility sample (μ ≃ 1×106 cm2 V−1 s−1) reveals the quantization of Faraday angle in the quantum Hall regime. The observed Faraday angle is quantized in units of an effective fine structure constant, α∗ > α. This enhancement is due to the fact that we do our measurements in the presence of a waveguide and not in free space. However, with 2DEGs of higher mobility which can host fractional quantum Hall states there are no observed plateaus. This experiment also provides the advantage of probing the quantum Hall systems in a non-invasive approach. The second experiment can directly probe the electrostatic screening length. It is based on the idea that the capacitance of a capacitor is sensitive to change in electrostatic screening length. With the measurement setup, we can measure change in capacitances as small as 0.3 ppm at our measurement frequency of 400 Hz. This corresponds to a measurement sensitivity of 1 part in 104 in screening length. Using this setup, we have performed experiments to measure the change in electrostatic screening length associated with superconducting transition in Ti and Nb and we observe a reproducible, tiny signal for which we have no explanation yet.