Thèse Théorie des Propriétés Optiques du Graphite Sous Fort Champ Magnétique H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : PHYS - Physique Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique et de Modélisation des Milieux Condensés Direction de la thèse : Thierry CHAMPEL ORCID 0000000187777370 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-13T23:59:59 Le graphite, composé de couches de graphène empilées par interactions de van der Waals, est un semi-métal idéal pour explorer la quantification de Landau sous champs magnétiques intenses. Cette quantification ne restructure pas seulement le spectre électronique, mais modifie également le couplage électron-phonon, ce qui influence les propriétés vibrationnelles observables par spectroscopie Raman. Sous des champs extrêmement élevés, chaque niveau de Landau se comporte effectivement comme une bande 1D, et cette réduction de dimensionnalité amplifie les instabilités électroniques dues aux interactions électron-électron et électron-phonon, pouvant ainsi induire des transitions de phase vers des états d'ondes de densité de charge ou de spin.

Des mesures récentes réalisées au LNCMI Grenoble ont révélé un couplage fort entre les phonons de cisaillement et les excitations électroniques, produisant une forme de raie de Fano dépendante du champ dans le spectre Raman. La première partie de la thèse sera consacrée à la modélisation théorique de cette interaction. Nous décrirons le couplage entre les phonons de cisaillement et les niveaux de Landau quantifiés, tout en intégrant les effets d'interférence quantique responsables du profil de Fano, et nous simulerons le spectre Raman.

Dans la deuxième partie de la thèse, nous aborderons la question débattue concernant la nature des transitions de phase observées expérimentalement dans le graphite sous très hauts champs magnétiques, induites par les interactions électron-électron. Notre objectif sera d'identifier des signatures expérimentales distinctes des phases candidates (ondes de densité de charge ou de spin, ou autres états collectifs) dans des observables spectroscopiques telles que la résonance cyclotron, les spectres Raman ou la résonance magnétique nucléaire. Cette approche permettrait de lever les ambiguïtés sur les phases électroniques du graphite sous champs magnétiques ultra-intenses en établissant un lien direct entre théorie et expérience. Le graphite est depuis longtemps un matériau en couches prototype pour comprendre comment la physique véritablement 2D est modifiée par le couplage intercouches et les effets 3D. L'étude de ses propriétés électroniques et vibrationnelles sous champ magnétique intense fournit une référence pour interpréter des phénomènes analogues dans les empilements de graphène, les dichalcogénures de métaux de transition et d'autres systèmes de van der Waals.

Les semi-métaux fascinent la communauté scientifique depuis des décennies [Wallace1947], avec un regain d'intérêt lié à leur lien avec les semi-métaux topologiques de Dirac et de Weyl. Le graphite, composé de couches de graphène liées par des interactions de van der Waals, est un semi-métal idéal pour explorer la quantification de Landau sous des champs magnétiques intenses [Orlita2009, Nicholas2013]. Cette quantification restructure non seulement le spectre électronique, mais influence également le couplage électron-phonon, modifiant ainsi les propriétés vibrationnelles du matériau, accessibles expérimentalement par spectroscopie Raman [Kossacki2011]. L'étude des réponses phononiques en fonction des croisements de niveaux de Landau et des transitions de phase apporte des informations microscopiques sur le couplage électron-phonon, essentiel pour comprendre le transport, la supraconductivité potentielle et la stabilité des phases ordonnées. Le mode phononique de cisaillement est particulièrement intrigant, car il est intrinsèquement lié à la nature 3D du graphite [Tan2012]. Des mesures récentes au LNCMI Grenoble ont révélé un couplage fort entre les phonons de cisaillement et les excitations électroniques, produisant une signature de type Fano dans le spectre Raman, dont la forme évolue avec le champ magnétique.

Sous des champs magnétiques extrêmement élevés (plusieurs dizaines de teslas), le graphite entre dans la limite quantique magnétique, où seuls quelques niveaux de Landau restent pertinents. Dans ce régime « ultra-quantique », le mouvement des électrons perpendiculairement au champ est effectivement gelé, conférant au système un caractère quasi-unidimensionnel. Cette réduction de dimensionnalité amplifie les instabilités induites par les interactions électron-électron et électron-phonon, conduisant à des transitions de phase telles que les ondes de densité de charge (CDW) ou les ondes de densité de spin (SDW). Bien que des mesures de magnétorésistance et de chaleur spécifique aient révélé des anomalies attribuées à l'ouverture de gaps dans les bandes de Landau sous champs ultra-élevés [Timp1983, Fauqué2013, Arnold2017, LeBoeuf2017, Wang2020, Marcenat2021, Tokunaga2025], la nature exacte de l'état fondamental reste controversée. Les approches théoriques, basées sur différentes approximations, conduisent à des prédictions divergentes [Takada1998, Arnold2017]. Le premier objectif du projet est de décrire théoriquement le couplage entre les phonons de cisaillement et les excitations électroniques entre les niveaux de Landau quantifiés dans le graphite, tout en intégrant les effets d'interférence quantique responsables de la forme de raie de Fano. En simulant le spectre Raman et en comparant les résultats aux données expérimentales, nous cherchons à éclaircir la manière dont la restructuration du spectre électronique sous champ magnétique module les formes des pics Raman, et à confirmer notre hypothèse selon laquelle un continuum électronique est à l'origine physique de l'asymétrie spectrale observée expérimentalement.

Notre deuxième objectif est de clarifier la nature des différentes phases électroniques du graphite sous champs magnétiques ultraforts en prédisant leurs signatures dans des diverses quantités observables par spectroscopie, telles que le spectre d'absorption infrarouge, la diffusion Raman ou la résonance magnétique nucléaire. En effet, selon les phases, différentes règles de sélection devraient être assouplies, ce qui nous amène à proposer de nouvelles expériences spectroscopiques, complémentaires aux mesures de transport et thermodynamiques, afin d'aider à identifier les phases observées.

Le candidat doit posséder de solides connaissances en mécanique quantique et physique des solides, et avoir une expérience de travail théorique sur la magnéto-spectroscopie de graphite. Des compétences en calcul analytique et numérique sont requises.