Cours sur l'effet Hall quantique (mars-mai 2008) :

Cours : La physique du graphène

Jean-Noël Fuchs et Mark Oliver Goerbig

(12 séances, un semestre)

Résumé:

L'étude du graphène – une couche de graphite d'épaisseur mono-atomique – est devenu l'un des domaines les plus actifs de recherche en physique de la matière condensée, depuis la réalisation expérimentale des premiers échantillons en 2004. La particularité de ce matériau, qu'on a longtemps cru instable, est d'avoir une structure de bande électronique inhabituelle : la bande de valence et la bande de conduction se touchent en deux points distincts de la première zone de Brillouin, où en l'absence de dopage externe, le niveau de Fermi réside exactement. On peut donc voir ce matériau comme un semiconducteur à gap nul dont les excitations de plus basse énergie sont décrites par une théorie de fermions chargés relativistes sans masse, comme si l'on y trouvait des neutrinos chargés.

Le but de ce cours est de donner une introduction aux propriétés électroniques de ce nouveau matériau. Il s'adresse au étudiants en M2 ou en thèse et est censé couvrir à la fois des aspects expérimentaux et théoriques.

Programme :

1. Introduction, le carbone dans toutes ses dimensions, techniques de fabrication du graphène

2. Structure de bande électronique dans le modèle des liaisons fortes, limite continue, études ARPES/STM

3. Transport électronique dans le graphène à l'échelle mésoscopique (régimes balistique et diffusif, conductivité minimale, absence de rétrodiffusion, paradoxe de Klein, Zitterbewegung; rubans de graphène)

4. Le graphène sous champ magnétique fort (effet Hall quantique relativiste)

5. Couplage électron-phonon dans le graphène, spectroscopie Raman

6. Bicouches de graphène

Les notes de cours (en format PDF en anglais)/lecture notes (in English)