Transport hélical et interférométrie de Fabry-Pérot en régime d'effet Hall quantique dans le graphène

In the quantum Hall regime, the Coulomb interactions lead to the emergence of various highly correlated electronic phases exhibiting striking statistical and topological properties. The recent development of high mobility graphene van der Waals heterostructures has opened new opportunities for the study of these phases and the interplay between quantum Hall physics and other condensed matter phenomena. In this PhD thesis, we have developed new types of nanostructures that could enable to probe and to exploit some of the unique properties of the correlated quantum Hall phases developing in graphene.Using high-k dielectric SrTiO3 substrates, we have fabricated graphene devices where a phase exhibiting a helical edge transport develops at charge neutrality and at low magnetic fields. We show that this helical quantum Hall phase stems from the screening of the long-range Coulomb interaction by the substrate. We demonstrate that this helical edge transport survives over micron long distances and is robust up to a temperature of 110 K, thus providing a promising platform to investigate topological superconductivity.We also have successfully fabricated encapsulated graphene heterostructures equipped with quantum point contacts in series that operate as quantum Hall Fabry-Pérot interferometers. We demonstrate that these devices display gate-tunable oscillations that arise from the Aharonov-Bohm effect in remarkable agreement with the theory. We investigate the quantum coherence of electron transport in these interferometers and the possibility to operate a coherent double Fabry-Pérot interferometer. We show that our graphene Fabry-Pérot interferometers also exhibit an intriguing transport regime where Aharanov-Bohm oscillations have a halved periodicity. We finally investigate the possibility to make interference in the fractional quantum Hall regime and we unveil the existence of phase jumps in Aharonov-Bohm oscillations, that are reminiscent of the signatures of anyonic quasiparticles, in a configuration where such features should not be observed. Our work demonstrates that graphene devices offer a new platform to investigate the physics of quantum Hall Fabry-Pérot interferometers and open new paths towards the probing of anyon physics emerging the fractional quantum Hall regime.En régime d’effet Hall quantique, les interactions coulombiennes entrainent la formation de nombreuses phases électroniques hautement corrélées arborant des propriétés topologiques et des statistiques hors du commun. Le récent développement des hétérostructures de graphène de haute mobilité a offert de nouvelles opportunités pour l’étude de ces phases ainsi que pour explorer le couplage entre l’effet Hall quantique et d’autres phénomènes de la matière condensée. Dans ce travail de thèse, nous avons développé de nouvelles nanostructures qui permettent de sonder et d’exploiter certaines des propriétés uniques des phases corrélées se développant en régime d’effet Hall quantique dans le graphène.En utilisant des substrats de SrTiO3 à haute constante diélectrique, nous avons fabriqué des dispositifs dans lesquels un transport hélical apparait au point de neutralité et à bas champs magnétiques. Nous montrons que cette phase hélicale se développe grâce à l’écrantage par le substrat de l’interaction coulombienne longue portée. Dans cette phase le transport reste hélical sur des distances micrométriques et jusqu’à 110 K ce qui en fait un système de choix pour l’étude de la superconductivité topologique.La seconde partie de cette thèse a consisté en la réalisation d’interféromètres de Fabry-Pérot en régime d’effet Hall quantique à base d’héterostructures de graphène encapsulé équipées de contacts ponctuels quantiques. Nous démontrons l’existence, dans ces dispositifs, d’oscillations Aharanov-Bohm contrôlables par des grilles électrostatiques, en parfait accord avec les prédictions théoriques. Nous étudions la cohérence du transport électronique dans ces interféromètres ainsi que la possibilité de mettre en place un double interféromètre dans lequel le transport reste cohérent. Par ailleurs, nous montrons qu’il existe, dans ces interféromètres, un régime de transport particulier dans lequel les oscillations Aharanov-Bohm ont une périodicité réduite de moitié. Nous étudions, enfin, la possibilité de réaliser des expériences d’interférométrie en régime d’effet Hall quantique fractionnaire et nous mettons en évidence l’existence de sauts de phases dans les oscillations Aharonov-Bohm ne pouvant pas être interprétés comme des signatures de statistiques anyoniques. Notre travail montre que les dispositifs à base de graphène offrent de nouvelles opportunités pour l’étude des interféromètres de Fabry-Pérot en régime d’effet Hall quantique et ouvrent de nouvelles perspectives pour explorer la physique des anyons émergeant en régime fractionnaire

The Micro-ARES instrument on ExoMars 2016

Divers phénomènes d'ionisation et d'électrification atmosphériques existent dans la plupart des environnements planétaires connus et les conditions dans la basse atmosphère de Mars sont propices à l'établissement de champs électriques potentiellement très élevés. La raison d'être de Micro-ARES, le capteur de champ électrique et de conductivité de la suite météo DREAMS, seule charge utile scientifiques de l'atterrisseur Schiaparelli de la mission ExoMars 2016, était de défricher cette électricité atmosphérique martienne. L’étude de l’activité électrique ainsi que de la génération de ces champs électriques dans les tempêtes de poussières martiennes permettrait de faire la lumière sur divers phénomènes physiques : La dynamique des poussières à l’échelle locale et planétaire, élément clé du climat martien, la peu comprise ionosphère martienne ou encore la chimie atmosphérique et plus précisément l’énigme du méthane martien.La thèse présentée ici détaille le développement matériel et logiciel de Micro-ARES, les tests subits par l’instrument aussi bien en chambre que sur le terrain, ainsi que le traitement des données et la physique qui sous-tend le fonctionnement de l’instrument. Puisque de futures mission embarqueront très probablement ce type de capteur polyvalent, léger et consommant peu, l’accent a été mis sur la modélisation de l’interaction entre l’électrode et l’atmosphère. Ce travail théorique dépasse le cadre de Micro-ARES sur ExoMars 2016 et est une étape nécessaire dans la compréhension et le traitement des biais induits aussi bien par l’environnement de l’instrument, son design simplifié et les comportements inattendus de l’atmosphère martienne.Atmosphere ionization and electrification mechanisms of various sorts are known to exist in most of the planetary environments. It appears that the lower atmosphere and surface of Mars combine a number of favorable conditions for the development of intense atmospheric electric fields. Unveiling the Martian atmospheric electricity was the original goal of Micro-ARES, the electric-field and conductivity sensor of the DREAMS meteorological suite, the only scientific payload that equipped the Schiaparelli module from the ExoMars 2016 mission.The study of the electrical activity and electric field generation in Martian dust events might bring new capital knowledge on a wide range of phenomena: The local and planetary scale dust dynamics, a major component of the Martian climate, the partially understood Martian ionosphere, atmospheric chemistry and more precisely the production and destruction of the Martian methane, a still unresolved mystery.The following thesis details the hardware and software development of Micro-ARES, its testing phases, both in laboratory and on the field, and the data processing and physical processes underlying the instrument’s operation. Since future missions may carry again these kind of polyvalent, lightweight and energy-efficient sensor, emphasis was put on the modeling of the instrument's electrical coupling with the atmosphere. This theoretical work exceeds the frame of Micro-ARES in ExoMars 2016 and is necessary in order to understand and accurately compensate the biases induced by the instrument's surroundings, its simplified design and the unexpected electrical behavior of the Martian atmosphere

Helical edge transport and Fabry-Pérot interferometry in graphene quantum Hall effect

En régime d’effet Hall quantique, les interactions coulombiennes entrainent la formation de nombreuses phases électroniques hautement corrélées arborant des propriétés topologiques et des statistiques hors du commun. Le récent développement des hétérostructures de graphène de haute mobilité a offert de nouvelles opportunités pour l’étude de ces phases ainsi que pour explorer le couplage entre l’effet Hall quantique et d’autres phénomènes de la matière condensée. Dans ce travail de thèse, nous avons développé de nouvelles nanostructures qui permettent de sonder et d’exploiter certaines des propriétés uniques des phases corrélées se développant en régime d’effet Hall quantique dans le graphène.En utilisant des substrats de SrTiO3 à haute constante diélectrique, nous avons fabriqué des dispositifs dans lesquels un transport hélical apparait au point de neutralité et à bas champs magnétiques. Nous montrons que cette phase hélicale se développe grâce à l’écrantage par le substrat de l’interaction coulombienne longue portée. Dans cette phase le transport reste hélical sur des distances micrométriques et jusqu’à 110 K ce qui en fait un système de choix pour l’étude de la superconductivité topologique.La seconde partie de cette thèse a consisté en la réalisation d’interféromètres de Fabry-Pérot en régime d’effet Hall quantique à base d’héterostructures de graphène encapsulé équipées de contacts ponctuels quantiques. Nous démontrons l’existence, dans ces dispositifs, d’oscillations Aharanov-Bohm contrôlables par des grilles électrostatiques, en parfait accord avec les prédictions théoriques. Nous étudions la cohérence du transport électronique dans ces interféromètres ainsi que la possibilité de mettre en place un double interféromètre dans lequel le transport reste cohérent. Par ailleurs, nous montrons qu’il existe, dans ces interféromètres, un régime de transport particulier dans lequel les oscillations Aharanov-Bohm ont une périodicité réduite de moitié. Nous étudions, enfin, la possibilité de réaliser des expériences d’interférométrie en régime d’effet Hall quantique fractionnaire et nous mettons en évidence l’existence de sauts de phases dans les oscillations Aharonov-Bohm ne pouvant pas être interprétés comme des signatures de statistiques anyoniques. Notre travail montre que les dispositifs à base de graphène offrent de nouvelles opportunités pour l’étude des interféromètres de Fabry-Pérot en régime d’effet Hall quantique et ouvrent de nouvelles perspectives pour explorer la physique des anyons émergeant en régime fractionnaire.In the quantum Hall regime, the Coulomb interactions lead to the emergence of various highly correlated electronic phases exhibiting striking statistical and topological properties. The recent development of high mobility graphene van der Waals heterostructures has opened new opportunities for the study of these phases and the interplay between quantum Hall physics and other condensed matter phenomena. In this PhD thesis, we have developed new types of nanostructures that could enable to probe and to exploit some of the unique properties of the correlated quantum Hall phases developing in graphene.Using high-k dielectric SrTiO3 substrates, we have fabricated graphene devices where a phase exhibiting a helical edge transport develops at charge neutrality and at low magnetic fields. We show that this helical quantum Hall phase stems from the screening of the long-range Coulomb interaction by the substrate. We demonstrate that this helical edge transport survives over micron long distances and is robust up to a temperature of 110 K, thus providing a promising platform to investigate topological superconductivity.We also have successfully fabricated encapsulated graphene heterostructures equipped with quantum point contacts in series that operate as quantum Hall Fabry-Pérot interferometers. We demonstrate that these devices display gate-tunable oscillations that arise from the Aharonov-Bohm effect in remarkable agreement with the theory. We investigate the quantum coherence of electron transport in these interferometers and the possibility to operate a coherent double Fabry-Pérot interferometer. We show that our graphene Fabry-Pérot interferometers also exhibit an intriguing transport regime where Aharanov-Bohm oscillations have a halved periodicity. We finally investigate the possibility to make interference in the fractional quantum Hall regime and we unveil the existence of phase jumps in Aharonov-Bohm oscillations, that are reminiscent of the signatures of anyonic quasiparticles, in a configuration where such features should not be observed. Our work demonstrates that graphene devices offer a new platform to investigate the physics of quantum Hall Fabry-Pérot interferometers and open new paths towards the probing of anyon physics emerging the fractional quantum Hall regime

Transport hélical et interférométrie de Fabry-Pérot en régime d'effet Hall quantique dans le graphène

In the quantum Hall regime, the Coulomb interactions lead to the emergence of various highly correlated electronic phases exhibiting striking statistical and topological properties. The recent development of high mobility graphene van der Waals heterostructures has opened new opportunities for the study of these phases and the interplay between quantum Hall physics and other condensed matter phenomena. In this PhD thesis, we have developed new types of nanostructures that could enable to probe and to exploit some of the unique properties of the correlated quantum Hall phases developing in graphene.Using high-k dielectric SrTiO3 substrates, we have fabricated graphene devices where a phase exhibiting a helical edge transport develops at charge neutrality and at low magnetic fields. We show that this helical quantum Hall phase stems from the screening of the long-range Coulomb interaction by the substrate. We demonstrate that this helical edge transport survives over micron long distances and is robust up to a temperature of 110 K, thus providing a promising platform to investigate topological superconductivity.We also have successfully fabricated encapsulated graphene heterostructures equipped with quantum point contacts in series that operate as quantum Hall Fabry-Pérot interferometers. We demonstrate that these devices display gate-tunable oscillations that arise from the Aharonov-Bohm effect in remarkable agreement with the theory. We investigate the quantum coherence of electron transport in these interferometers and the possibility to operate a coherent double Fabry-Pérot interferometer. We show that our graphene Fabry-Pérot interferometers also exhibit an intriguing transport regime where Aharanov-Bohm oscillations have a halved periodicity. We finally investigate the possibility to make interference in the fractional quantum Hall regime and we unveil the existence of phase jumps in Aharonov-Bohm oscillations, that are reminiscent of the signatures of anyonic quasiparticles, in a configuration where such features should not be observed. Our work demonstrates that graphene devices offer a new platform to investigate the physics of quantum Hall Fabry-Pérot interferometers and open new paths towards the probing of anyon physics emerging the fractional quantum Hall regime.En régime d’effet Hall quantique, les interactions coulombiennes entrainent la formation de nombreuses phases électroniques hautement corrélées arborant des propriétés topologiques et des statistiques hors du commun. Le récent développement des hétérostructures de graphène de haute mobilité a offert de nouvelles opportunités pour l’étude de ces phases ainsi que pour explorer le couplage entre l’effet Hall quantique et d’autres phénomènes de la matière condensée. Dans ce travail de thèse, nous avons développé de nouvelles nanostructures qui permettent de sonder et d’exploiter certaines des propriétés uniques des phases corrélées se développant en régime d’effet Hall quantique dans le graphène.En utilisant des substrats de SrTiO3 à haute constante diélectrique, nous avons fabriqué des dispositifs dans lesquels un transport hélical apparait au point de neutralité et à bas champs magnétiques. Nous montrons que cette phase hélicale se développe grâce à l’écrantage par le substrat de l’interaction coulombienne longue portée. Dans cette phase le transport reste hélical sur des distances micrométriques et jusqu’à 110 K ce qui en fait un système de choix pour l’étude de la superconductivité topologique.La seconde partie de cette thèse a consisté en la réalisation d’interféromètres de Fabry-Pérot en régime d’effet Hall quantique à base d’héterostructures de graphène encapsulé équipées de contacts ponctuels quantiques. Nous démontrons l’existence, dans ces dispositifs, d’oscillations Aharanov-Bohm contrôlables par des grilles électrostatiques, en parfait accord avec les prédictions théoriques. Nous étudions la cohérence du transport électronique dans ces interféromètres ainsi que la possibilité de mettre en place un double interféromètre dans lequel le transport reste cohérent. Par ailleurs, nous montrons qu’il existe, dans ces interféromètres, un régime de transport particulier dans lequel les oscillations Aharanov-Bohm ont une périodicité réduite de moitié. Nous étudions, enfin, la possibilité de réaliser des expériences d’interférométrie en régime d’effet Hall quantique fractionnaire et nous mettons en évidence l’existence de sauts de phases dans les oscillations Aharonov-Bohm ne pouvant pas être interprétés comme des signatures de statistiques anyoniques. Notre travail montre que les dispositifs à base de graphène offrent de nouvelles opportunités pour l’étude des interféromètres de Fabry-Pérot en régime d’effet Hall quantique et ouvrent de nouvelles perspectives pour explorer la physique des anyons émergeant en régime fractionnaire

Discovery of Novel <i>N</i>-Phenylphenoxyacetamide Derivatives as EthR Inhibitors and Ethionamide Boosters by Combining High-Throughput Screening and Synthesis

In this paper, we describe the screening of a 14640-compound library using a novel whole mycobacteria phenotypic assay to discover inhibitors of EthR, a transcriptional repressor implicated in the innate resistance of Mycobacterium tuberculosis to the second-line antituberculosis drug ethionamide. From this screening a new chemical family of EthR inhibitors bearing an <i>N</i>-phenylphenoxyacetamide motif was identified. The X-ray structure of the most potent compound crystallized with EthR inspired the synthesis of a 960-member focused library. These compounds were tested in vitro using a rapid thermal shift assay on EthR to accelerate the optimization. The best compounds were synthesized on a larger scale and confirmed as potent ethionamide boosters on M. tuberculosis-infected macrophages. Finally, the cocrystallization of the best optimized analogue with EthR revealed an unexpected reorientation of the ligand in the binding pocket

Ethionamide Boosters. 2. Combining Bioisosteric Replacement and Structure-Based Drug Design To Solve Pharmacokinetic Issues in a Series of Potent 1,2,4-Oxadiazole EthR Inhibitors

Mycobacterial transcriptional repressor EthR controls the expression of EthA, the bacterial monooxygenase activating ethionamide, and is thus largely responsible for the low sensitivity of the human pathogen <i>Mycobacterium tuberculosis</i> to this antibiotic. We recently reported structure–activity relationships of a series of 1,2,4-oxadiazole EthR inhibitors leading to the discovery of potent ethionamide boosters. Despite high metabolic stability, pharmacokinetic evaluation revealed poor mice exposure; therefore, a second phase of optimization was required. Herein a structure–property relationship study is reported according to the replacement of the two aromatic heterocycles: 2-thienyl and 1,2,4-oxadiazolyl moieties. This work was done using a combination of structure-based drug design and in vitro/ex vivo evaluations of ethionamide boosters on the targeted protein EthR and on the human pathogen <i>Mycobacterium tuberculosis</i>. Thanks to this process, we identified compound <b>42</b> (BDM41906), which displays improved efficacy in addition to high exposure to mice after oral administration