Nouvelles phases topologiques
Cette activité, à la croisée de la théorie et de l’expérimentation, explore les propriétés inédites des fermions semi-relativistes — Kane, Dirac ou Weyl — observés dans des matériaux à structures de bandes particulières (HgTe/HgCdTe, InAs/GaSb, NbAs, TaAs, Cd₃As₂).
Grâce aux techniques de magnétospectroscopie dans les domaines MIR et Térahertz, qui sondent les transitions optiques entre niveaux de Landau, nous avons mis en évidence des gaps topologiques non triviaux et des transitions de phase dans les structures à base de HgTe/HgCdTe et les hétérostructures InAs/GaSb ([Nat. Commun. 7, 12576 (2016)] ; [Phys. Rev. B 97, 245419 (2018)]).
La validation expérimentale des modèles théoriques, notamment pour InAs/GaSb, a permis d’affiner les paramètres de modélisation et de concevoir de nouvelles structures tricouches (TQWs), réalisées à l’Institut d’Electronique et des Systèmes (IES). Ces dispositifs présentent une bonne stabilité jusqu’à 100 K, ouvrant la voie à l’étude de l’effet Hall quantique de spin.
Cette maîtrise du matériau III-V et de ses propriétés topologiques ouvre aujourd’hui la voie à l’exploration de nouveaux états quantiques exotiques, comme la découverte récente d’une nouvelle classe de phases — les isolants topologiques d’ordre supérieur (HOTI) [Scientific Reports 11, 21060 (2021)].
Diagramme de phase des SLs 3D en fonction des épaisseurs d1 et d2. (b) Dispersion de bande calculée d’un semi-métal de Dirac ; (c) d’un TI 3D ; (d) Magnéto-absorption en fonction du champ magnétique, à 10 K, révélant une dispersion √B des niveaux de Landau, jusqu’à quelques meV, comme attendu pour les cônes de Dirac dans un SM de Dirac 3D. Crédit : L2C/TEST.
Nos travaux s’étendent désormais aux super-réseaux III-V, où l’on s’attend à une véritable zoologie de phases topologiques tridimensionnelles : semi-métaux de Dirac (DSM), semi-métaux de Weyl (WSM) et isolants topologiques 3D (TI).