Amphithéâtre Charpak
Hugo Le Du, doctorant dans l’équipe Spectroscopie des nouveaux états quantiques.
Hugo Le Du © INSP – Cécile Duflot
Exploration de la supraconductivité d’Ising et des phases topologiques dans les ‘misfits’ de dichalcogénures
Le dopage constitue l’un des leviers les plus puissants pour contrôler les ordres électroniques collectifs des matériaux bidimensionnels. Cependant, les approches conventionnelles se heurtent à des limitations intrinsèques : le dopage par effet de champ est écranté à l’échelle d’une seule couche atomique, les contraintes mécaniques laissent la densité de porteurs inchangée, et l’intercalation chimique manque de précision et de stabilité. Les « misfits » de dichalcogénures de métaux de transition permettent de s’affranchir de ces limitations. En intercalant des couches de NbSe2 avec des couches de monochalcogénures donneuses de charge de structure type sel gemme, ils dopent les couches quasi-bidimensionnelles de NbSe2 à des densités de porteurs inaccessibles par effet de champ, tout en préservant sa physique bidimensionnelle et son couplage spin-orbite d’Ising. Dans cette thèse, nous avons utilisé les composés « misfits » (LaxPb1−xSe)1.14(NbSe2)2 comme plateforme pour explorer le diagramme de phase de la monocouche de NbSe2 en fonction du dopage. Nous avons combiné des calculs ab initio à des sondes expérimentales multi-échelles : la spectroscopie photoélectronique résolue en angle (ARPES), la microscopie et la spectroscopie par effet tunnel (STM/STS), ainsi que la magnétométrie à SQUID.
Dans un premier temps, nous avons démontré que le rapport La/Pb de la couche sel gemme agit comme un levier chimique permettant d’ajuster continûment le dopage en électrons de la couche de NbSe2. Nos mesures ARPES ont révélé que le caractère bidimensionnel des bandes 4d du Nb est préservé, tandis qu’une analyse locale des interférences de quasi-particules a permis une détermination à haute résolution du niveau de dopage, s’affranchissant ainsi de l’inhomogénéité des échantillons. Ce contrôle du dopage nous a permis de sonder l’évolution de l’ordre de l’onde de densité de charge (CDW) dans la monocouche de 1H-NbSe2 dopée. Nous avons prédit et observé une nouvelle phase CDW 2 × 2 à dopage intermédiaire, avant que la CDW ne s’effondre à fort dopage. Les ordres CDW 2 × 2 et 3 × 3 sont tous deux induits par un fort couplage électron-phonon plutôt que par l’emboîtement de la surface de Fermi. À des niveaux de dopage allant de faible à intermédiaire, ils coexistent sous la forme d’un état électronique entrelacé, fragmenté par des défauts topologiques induits par le désordre.
Enfin, nous avons étudié l’état supraconducteur de (LaxPb1−xSe)1.14(NbSe2)2. Nos mesures SQUID ont révélé un diagramme de phase non monotone présentant une forte suppression de la Tc à x = 0.4, ce que nos mesures STS sur la couche supérieure de NbSe2 ont fortement corroboré à l’échelle locale. Ce dopage critique sépare deux régimes distincts : un état supraconducteur conventionnel avec un gap complet en forme de U à faible dopage, et un état non conventionnel avec des gaps en forme de V à fort dopage. Dans ce second régime, des états de bord sélectifs en orientation, appuyés par des calculs de Bogoliubov-de Gennes 2D, se révèlent incompatibles avec des appariements purement bidimensionnels chiraux p + ip et f -wave. Bien que la nature 3D intrinsèque des MLC nous empêche d’exclure définitivement un état chiral hybridé, ces modes de bord sont reproduits avec succès par un appariement triplet de spin A1 à spins égaux, correspondant à une supraconductivité topologique cristalline. Nous proposons que cet état émerge comme la composante sous-dominante d’un paramètre d’ordre à parité mixte, hébergée par les arcs nodaux imposés par symétrie du couplage spin-orbite d’Ising sur la poche Γ dopée en électrons. Ces résultats établissent les MLC comme une plateforme puissante de contrôle du dopage, hébergeant une transition fondamentale de la supraconductivité conventionnelle vers un régime supraconducteur non conventionnel, et potentiellement topologique.
Exploring Ising superconductivity and topological phases in dichalcogenides misfit compounds
Doping is one of the most powerful knobs to control the collective electronic orders of two-dimensional materials. However, conventional approaches reach intrinsic limitations: electrostatic gating is screened within a single atomic layer, strain leaves the carrier density unchanged, and chemical intercalation lacks precision and stability. Misfit layer compounds (MLCs) overcome these limitations. By stacking NbSe2 layers with charge-donating monochalcogenide layers with a rock-salt structure, they rigidly dope a quasi-two-dimensional NbSe2 layer to carrier densities that gating cannot reach, while preserving its two-dimensional physics and its Ising spin-orbit coupling. In this thesis, we used LaxPb1−xSe)1.14(NbSe2)2 misfit layer compounds as a platform to explore the doping-driven phase diagram of monolayer NbSe2. We combined ab initio calculations with multi-scale experimental probes: angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/STS), and SQUID magnetometry.
We first demonstrated that the La/Pb ratio of the rock-salt layer acts as a chemical knob that continuously tunes the electron doping of the NbSe2 layer. Our ARPES measurements revealed the preserved two-dimensional character of the Nb 4d bands, while a local quasiparticle interference analysis provided a high-resolution determination of the doping level, overcoming the inhomogeneity of the samples. This tunability allowed us to probe the evolution of the charge density wave (CDW) order in doped 1H-NbSe2 monolayer. We observed a new 2 × 2 CDW at intermediate doping before the charge order collapses at high doping, as predicted by ab initio calculations. Both 2 × 2 and 3 × 3 CDW orders are driven by strong electron-phonon coupling rather than by Fermi-surface nesting, and at low-to-intermediate doping, they coexist as an intertwined electronic state fragmented by disorder-induced topological defects.
Finally, we investigated the superconducting state of (LaxPb1−xSe)1.14(NbSe2)2. Our SQUID measurements revealed a non-monotonic phase diagram with a sharp suppression of Tc at x = 0.4, which our STS measurements on the topmost NbSe2 layer strongly corroborated at the local scale. This critical doping separates two distinct regimes: a conventional superconducting state with a fully developped hard gap at low doping, and an unconventional state with V-shaped gaps at high doping. In this second regime, orientation-selective edge states, supported by 2D Bogoliubov-de Gennes calculations, appear incompatible with purely two-dimensional chiral p + ip and nodal f -wave pairings. Although the intrinsic 3D nature of the MLCs prevents us from definitively excluding a hybridized chiral state, these boundary modes are successfully reproduced by an equal-spin A1 spin-triplet pairing corresponding to crystalline topological superconductivity. We propose this state emerges as the subdominant component of a mixed-parity order parameter, hosted by the symmetry-imposed nodal arcs of the Ising spin-orbit coupling on the electron-doped Γ pocket. These results establish MLCs as a powerful doping-controlled platform for TMDs, hosting a fundamental transition from conventional superconductivity toward an uncon-
ventional, and potentially topological, superconducting regime.
Jury
- Julia MEYER (Professeure – Université Grenoble Alpes) Rapporteure
- Christoph RENNER (Professeur – Université de Genève) Rapporteur
- Véronique BROUET (Directrice de recherche – LPS) Examinatrice
- Abhay SHUKLA (Professeur – Sorbonne Université) Examinateur
- Wulf WULFHEKEL (Directeur de recherche – KIT) Examinateur
- Tristan CREN (Directeur de recherche – INSP) Directeur de thèse
- Marie HERVÉ (Chargée de recherche – INSP) Co-directrice de thèse
