Excitations de basse energie dans les semimétaux tridimensionnels de Dirac et de Weyl – DIRAC3D

Dans le cadre du projet DIRAC3D, nous avons formé un consortium regroupant quatre laboratoires aux compétences complémentaires en physique expérimentale et théorique. Celles-ci ont été utilisées pour approcher les propriétés uniques des matériaux topologiques dans le cadre d'une recherche fondamentale, motivée par la curiosité, mais aussi en ce qui concerne les applications possibles. Les méthodes expérimentales employées comprenaient des techniques portant directement sur les propriétés électriques, et principalement optiques, des matériaux topologiques - celles qui sont les plus pertinentes pour leur utilisation future en électronique et en optoélectronique. À cet égard, nous nous sommes écartés du courant dominant de la physique de l'état solide, qui utilise principalement des méthodes expérimentales sensibles à la surface des matériaux topologiques explorés, telles que la spectroscopie à effet tunnel ou la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, souvent associées à des calculs ab initio. En particulier, nous avons utilisé des outils avancés de spectroscopie optique - du terahertz jusqu'à la gamme spectrale visible - et de transport électrique, dans une large gamme de champs magnétiques qui ont permis une véritable inspection des états électroniques dans une série de matériaux topologiques et ainsi collecter des informations souvent manquantes dans la communauté scientifique travaillant sur ces systèmes. Dans plusieurs cas, les résultats de nos travaux ont dépassé la portée initialement prévue des projets. Par exemple, lorsqu'un semi-métal topologique soumis à un champ magnétique appliqué extérieurement s'est révélé être une source efficace de rayonnement THz qui pourrait servir de milieu actif possible dans une nouvelle génération de lasers infrarouges.

Dans le cadre du projet DIRAC3D, nous avons exploré une série de matériaux de la classe topologique, principalement des semi-métaux tridimensionnels de Weyl et de Dirac, la cible principale de ce projet, mais nous avons également étendu notre champ d'action à d'autres systèmes tels que les isolants topologiques ou les semi-métaux à ligne nodale. Ces études, à la fois expérimentales et théoriques, nous ont fourni un aperçu détaillé des états électroniques de basse énergie dans ces matériaux et serviront à la communauté topologique.

Cependant, les résultats les plus intéressants ont été obtenus lorsque la compréhension des matériaux explorés nous a permis de nous aventurer au-delà des objectifs prédits ou prévus dans la proposition initiale. C'est le cas de nos études magnéto-optiques des semi-métaux à ligne nodale, dont le résultat a été interprété en termes de boost de Lorentz, créant ainsi un autre lien entre la physique de l'état solide et la relativité (J. Wyzula et al, Advanced Science, 2022). L'émission observée de rayonnement térahertz à partir des semi-métaux à base de HgCdTe quantifiés par Landau est un autre exemple (D. B. But et al., Nature Photonics, 2019 et S. Gebert et al., Nature Photonics 2023),]. Il s'agit de la toute première émission cyclotronique à partir de porteurs de charge de type relativiste sans masse, qui nous a rapprochés des lasers à niveau de Landau tant recherchés.

À l'heure actuelle, malgré le potentiel indéniable des matériaux topologiques pour des applications en électronique et en optoélectronique, nous en sommes encore à un stade trop précoce pour juger de leur impact final, le cas échéant, et l'intérêt qu'ils suscitent est surtout motivé par la curiosité scientifique. L'impact réel des résultats obtenus dans le cadre du projet ne peut être évalué que rétrospectivement, après une certaine période. Néanmoins, les travaux réalisés dans le cadre du projet DIRAC3D ont révélé au moins un autre domaine dans lequel les matériaux topologiques pourraient être utilisés à l'avenir - en tant que supports actifs de futures sources quasi-monochromatiques de rayonnement dans la gamme spectrale THz, appelées lasers à niveau de Landau. Nous avons l'intention de poursuivre cette direction de recherche spécifique à l'avenir. À cette fin, nous avons formé un nouveau consortium, qui étend fondamentalement celui du projet DIRAC3D. Notre proposition a été soumise à l'appel ANR 2023 en tant que projet collaboratif international (PRCI).

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Le projet DIRAC3D a donné lieu jusqu'à présent à 27 publications dans des revues internationales à comité de lecture avec un facteur d'impact élevé, d'autres articles sont en cours d'examen ou de préparation. Parmi eux, on peut trouver 2 publications dans Physical Review Letters et 2 publications dans Nature Photonics.

Le projet DIRAC3D vise à accroître radicalement la connaissance expérimentale et théorique des semi-métaux 3D de Dirac et de Weyl qui ont récemment émergé et représentent actuellement un captivant terrain de jeu pour la physique de la matière condensée fondamentale et appliquée. Nous proposons une véritable exploration de leurs propriétés électriques et optiques dans une large gamme de champs magnétiques, à l'aide d'outils avancés de transport électrique et de spectroscopie optique, du Terahertz à la gamme spectrale visible. Nous analyserons leurs propriétés physiques uniques, dues à la présence de particules tridimensionnelles sans masse aux nœuds de Dirac et de Weyl, ainsi qu’à celle d’états de surfaces caractéristiques. Les expériences proposées, soutenues par une modélisation théorique appropriée, nous permettront de caractériser en détail les bandes coniques tridimensionnelles (formes, isotropies, gammes d'énergie...) dans des matériaux de Dirac et de Weyl sélectionnés (en l’occurrence dans Cd3As2, TaAs, ZrTe5 ou ZrSiS). D'autres activités expérimentales comprendront par exemple la recherche d'excitations optiques spécifiques liées à la présence d’arcs de Fermi et d’états massifs aux surfaces de ces semi-métaux de Dirac et de Weyl, ou encore l’exploration du phénomène de magnétorésistance linéaire observé de manière générique dans les matériaux 3D à structures de bandes coniques. Nos objectifs ultimes incluent la découverte de preuves catégoriques de l'anomalie chirale dans les semi-métaux de Weyl et l'exploration des fascinantes propriétés optiques et électriques des semi-métaux de Dirac et de Weyl, dont le potentiel applicatif à long terme est également pertinent.