Hétérostructures topologiques de semi-conducteurs IV-VI : une plateforme pour l'étude des transitions de phase topologiques et de leur contrôle par la contrainte – TOPO-PLATFORM

Une approche à plusieurs niveaux est utilisée qui englobe tous les aspects de croissance des échantillons, de contrainte, de caractérisation et d’analyse structurelle, de modélisation théorique ainsi que de fabrication de dispositifs. Les échantillons sont fabriqués par épitaxie par jet moléculaire, et caractérisés par diffraction aux rayons X et microscopie électronique. La structure électronique et la topologie des bandes sont évaluées par magnéto-spectroscopie infrarouge ainsi que par spectroscopie de photoémission résolue en angle. La conception des échantillons et l'analyse des données spectroscopiques sont basées sur la théorie k.p particulièrement performante dans ces systèmes. L'échange rapide d'idées, d'échantillons, de résultats de mesure et de modélisation crée une interaction efficace qui garantit une progression rapide du projet.

A 18 mois (le premier tiers du conventionnement) notre projet a déjà atteint les résultats significatifs suivants :

- Le savoir-faire pour la croissance par épitaxie par jet moléculaire de multipuits quantiques et superréseaux Pb(Sn)Se/PbEuSe à haute mobilité dans des conditions reproductibles, sur différents substrats et différentes orientations,

- La démonstration de la formation de minibandes topologiques dans des superréseaux artificiels isolants topologiques cristallins/isolants conventionnels. Nous avons révélé que ces minibandes émergent de l’hybridation d’états d'interface topologique qui se couplent à travers les puits quantiques topologiques et à travers les barrières d’isolants conventionnels,

- La première construction expérimentale du diagramme de phase composition/épaisseur des puits quantiques topologiques. En conséquence, nos superréseaux topologiques fournissent un nouvel état topologique quasi-tridimensionnel qui offre de nouvelles perspectives pour l’obtention et le contrôle de courants de spin sans dissipation.

Les perspectives sont l'observation de phénomènes topologiques exotiques qui mettent en jeu des courants d’électrons ou de spin sans dissipation et montrer comment les contrôler avec des paramètres extérieurs afin d’ouvrir la voie pour la réalisation de dispositifs basés sur la topologie dans lesquels le caractère topologique peut être activé et désactivé de manière contrôlable.

Première fabrication et démonstration d’un super-réseau topologique quasi-tridimensionnel, entièrement accordable, et qui fournit un modèle pour la réalisation de courants de spin sans dissipation :
Phys. Rev. B 103, 235302 (2021)

De nombreuses autres publications et communications sont prévues dans le projet.

Les matériaux topologiques présentant des états de surface de Dirac protégés, ont révolutionné notre vision des phases de la matière. Les isolants topologiques cristallins (TCI) constituent une classe particulière de ces matériaux, dans lesquels la topologie non triviale est induite par l'inversion de bande et la symétrie cristalline. De ce fait, leurs propriétés topologiques sont très sensibles aux perturbations internes ou externes (composition, température, contrainte, champ magnétique, confinement quantique…). Par conséquent, les TCI constituent une plate-forme unique pour l’étude des transitions de phase topologiques et le contrôle de la topologie, et sont très prometteurs pour la découverte de phénomènes physiques nouveaux et l’ouverture de voies originales pour les dispositifs électroniques quantiques.

L’objectif principal de ce projet commun ANR-FWF est de répondre à la question de savoir comment les états topologiques de surface ou d’interface peuvent être contrôlés par des moyens externes. Pour atteindre ces objectifs, nous établirons une plate-forme polyvalente pour la réalisation de nouvelles hétérostructures TCI reposant sur les semi-conducteurs IV-VI de faible gap. Nous montrerons comment manipuler les fonctions d'onde et la topologie des systèmes en combinant l'ingénierie des contraintes et l’ingénierie de structure de bandes, l'hybridation des états d'interfaces topologiques, ainsi qu’en utilisant des champs électriques et magnétiques ou des tensions piézoélectriques. Les nouvelles méthodologies développées nous permettront de démontrer la possibilité de contrôler la topologie à l’aide de « boutons de réglages » externes.

On utilisera une approche à plusieurs niveaux basée sur la synergie des compétences des deux partenaires du projet, l’École Normale Supérieure à Paris (ENS) et l’Université Johannes Kepler de Linz (JKU). Ces compétences couvrent tous les aspects nécessaires au projet : croissance, dopage, ingénierie de bande et des contraintes, microscopie tunnel à balayage (STM), spectroscopie de photoémission (ARPES), théorie et modélisation, transport quantique, études magnéto-optiques et élaboration de dispositifs prototypes.

L'épitaxie par jet moléculaire d'hétérostructures TCI à base de PbSnTe et PbSnSe et leurs caractérisations seront effectuées dans le groupe de G. Springholz à JKU. Le dopage, la croissance sur des substrats accordés au réseau cristallin et des grilles seront utilisés pour optimiser la densité et la mobilité des porteurs. L'accent sera mis en particulier sur les études magnéto-optiques et de transport quantique afin de faire le pont entre les études de surfaces pures (ARPES, STM) et les applications potentielles aux dispositifs à base de TCI. Les expériences de spectroscopie magnéto-optique et de transport seront réalisées dans le groupe de L.A. de Vaulchier, R.Ferreira et Y. Guldner à l'ENS pour sonder et modéliser les états topologiques de surface et de volume, ainsi que pour caractériser l'évolution de la structure de la bande lors des transitions de phase topologiques. Ce travail sera complété par des mesures ARPES et STM effectuées par l'équipe de JKU. Différentes méthodes de brisure de symétrie seront utilisées. Nous étudierons en particulier l’impact des contraintes et des déformations du réseau cristallin sur la topologie des TCI et de son contrôle par des matériaux piézo-électriques en vue de réaliser de futurs dispositifs fonctionnels. Les brisures de symétrie par dopage magnétique et la ferroélectricité induite par l'incorporation de Ge dans PbSn (Se, Te) seront également étudiées. L'un des objectifs sera de mettre en évidence l'effet Hall quantique de spin et l'effet Hall quantique anormal dans ces matériaux.

Finalement, le projet devra démontrer que les matériaux TCI sont une plate-forme très polyvalente pour étudier et manipuler la topologie de bande en vue d'une éventuelle intégration dans des futurs dispositifs électroniques quantiques.