Effets linéaires et non linéaires dans les matériaux topologiques irradiés – Topodrive

Afin de réaliser les objectifs, TOPODRIVE repose sur deux idées cruciales:1) le formalisme de Floquet permet de traiter de fortes perturbations périodiques dans le temps et les effects non linéaires,2) l’idée d’utiliser les pseudo-champs électriques et magnétiques pour modéliser une vaste classe d’inhomogénéités : gradients de contraintes élastiques, interfaces, hétérostructures, domaines magnétiques.

Les principaux résultats de ce projet à ce jour sont
1) Caractérisation des isolants topologiques amorphes: Nous avons rapporté la découverte du premier isolant topologique amorphe, Bi2Se3 amorphe. Plus récemment, nous avons étendu le concept d'indicateurs de symétrie, utiles pour classer les cristaux, au domaine des systèmes amorphes.
2) Nous avons développé les différences de réponses non linéaires des métaux par rapport aux isolants. Nous avons proposé que la génération de fréquence de différence soit quantifiée dans les métaux topologiques chiraux. Nous avons mis l'accent sur les métaux topologiques chiraux en tant que nouvelle systèmes pour la technologie photovoltaïque et photo-détecteurs.

Avec les principaux objectifs du projet, un autre objectif à moyen et long terme est d'explorer les systèmes topologiques amorphes. Notre théorie combinée à l'expérience a découvert le premier isolant topologique amorphe candidat dans Bi2Se3 amorphe. Nous développons une théorie des indicateurs de symétrie de la matière amorphe pour classer et prédire quand ces phases se produisent dans des matériaux réels. L'extension des isolants topologiques à la matière amorphe pourrait être d'une grande importance technologique.

1. Linear optical conductivity of chiral multifold fermions M. A.Sanchez-Martinez, F. de Juan, A. G. Grushin Phys. Rev. B 99, 155145 (2019)
2. Pseudo-electromagnetic fields in topological semimetals R. Ilan, A. G. Grushin, D. Pikulin, Nature Reviews Physics. 2, 29-41 (2020)
3. Spectral and optical properties of Ag3Au(Se2,Te2) and dark matter detection M. A.Sanchez-Martinez, et al. Journal of Physics: Materials 3, 014001, (2019)
4. Quantization in higher-order topological insulators: circular dichroism and local Chern marker O. Pozo, C. Repellin, A. G. Grushin, Phys. Rev. Lett. 123, 247401 (2019)
5. Difference frequency generation in topological semimetals F. de Juan, et al. Phys. Rev. Research 2, 012017 (2020)
6. Strong bulk photovoltaic effect in chiral crystal in the visible spectrum Y. Zhang, et al. Phys. Rev. B 100, 245206 (2019)
7. Evidence for topological surface states in amorphous Bi2Se3 P. Corbae, et al. arxiv:1910.13412
8. Stochastic Chern number from interactions and light response P. W. Klein, A. G. Grushin, and Karyn Le Hur arxiv:2002.01742
9. Topological Weaire-Thorpe models of amorphous matter Q. Marsal, D. Varjas, and A. G. Grushin arXiv:2003.13701
10. Frequency-resolved multifold fermions in the chiral topological semimetal CoSi B. Xu, et al. arXiv:2005.01581
11. Linear and nonlinear optical responses in the chiral multifold semimetal RhSi Z. Ni, et al. arxiv:2006.09612
12. Giant topological longitudinal circular photo-galvanic effect in the chiral multifold semimetal CoSi Z. Ni, et al. arxiv : 2007.02944
13. Magnetism and anomalous transport in the Weyl semimetal PrAlGe: possible route to axial gauge fields D. Destraz, et al. npj Quantum Materials (2020)5:5

Contrôler la réponse électronique de systèmes solides à des champs externes reste un enjeu à la fois fondamental et technologique de la science des matériaux moderne, qui reste un défi en raison de la nature hors-équilibre du problème. La réponse des électrons à la lumière en est un exemple clef; comprendre et prévoir de nouveaux matériaux pouvant abriter des effets photoinduits (et des photocourants) intenses pourrait fournir de nouveaux moyens de contrôler l’intéraction lumière-matière et améliorer l’efficacité de technologies clefs comme les photodétecteurs et les cellules solaires au-delà des limites actuelles. Dans ce contexte, TOPODRIVE cherche à comprendre comment les perturbations variables dans le temps et l’espace peuvent induire des réponses électroniques nouvelles, robustes et d’intérêt technologique au-delà des situation d’équilibre, dans la matière topologique. Afin d’être applicable, ces propriétés intéressantes doivent être robustes vis à vis de déviations par rapport aux conditions idéales. Au cours de la dernière décade, les phases topologiques, ont exhibé expérimentallement des propriétés électrodynamiques robustes et distinctes de celles des isolants et métaux standards, comme la quantification de certaines fonctions de réponse. Cependant, le domaine des réponses à la fois topologiques, hors d’équilibre et non linéaires offre des voies prometteuses pour découvrir de nouveaux phénomènes stables.

TOPODRIVE comporte trois objectifs scientifiques majeurs: i) traiter le rôle potentiellement néfaste de la dissipation sur les propriétés topologiques, ii) établir et généraliser le paradigme unifiant les forts effects non linéaires quantifiés et les anomalies quantiques dans les semimétaux de Weyl, et iii) explorer des réalisations concrètes d’hétérostructures hybrides associant matériaux topologiques et supraconducteurs et pouvant dépasser les propriétés de leurs constituants.

Afin de réaliser ces objectifs, TOPODRIVE repose sur deux idées cruciales:1) le formalisme de Floquet permet de traiter de fortes perturbations périodiques dans le temps et les effects non linéaires,2) l’idée d’utiliser les pseudo-champs électriques et magnétiques pour modéliser une vaste classe d’inhomogénéités : gradients de contraintes élastiques, interfaces, hétérostructures, domaines magnétiques.

Les deux principaux jalons de ce projet consistent à : 1) Etablir une théorie générale qui puisse évaluer et expliquer les limites supérieures des réponses optiques non linéaires et leur connexion avec les anomalies; et 2) Proposer des dispositifs et hétérostructures afin de guider la quête expérimentale de phénomènes découlant des anomalies quantiques. La pertinence de ces deux jalons pour des expériences actuelles et futures implique d’évaluer le rôle de la dissipation.

Ce projet permettra au porteur principal AG (Institut Néel) de coordonner une panoplie d’expertises autour de la matière topologique, regroupant une équipe constituées de collaborations nouvelles ou existantes au niveau local, national et international. L’expertise de cette équipe inclue les aspects de théorie quantique des champs microscopiques ou de basse énergie, la théorie de Floquet, et les calculs ab-initio. Au niveau institutionel, TOPODRIVE va installer une collaboration péreine entre chercheurs du domaine, centrée sur l’institut Néel à Grenoble et comportant des supports aux échelles nationales et internationales.

Globalement l’aspect innovant et l’ambition de ce projet repose sur la combinaison d’approches habituellement décorrellées. Il vise à comprendre les principes sous-jacents à l’oeuvre dans les réponses linéaire et non linéaire de la matière topologique à des champs variables dans le temps en présence de dissipation. Le projet est ambitieux, mais réaliste en raison de l’équipe étendue et de la productivité avérée par le passé du PI. Le lien fort des idées fondamentales avec des technologies clefs assurera un impact scientique et sociétal à long terme.