Excitations collectives dans la matière topologique – Colector

Le projet COLECTOR est organisé autour de cinq Work Packages (WP) pour atteindre son objectif principal. Le WP5 est dédié à la gestion de projet incluant la communication, la diffusion et l'exploitation des résultats du projet. Les WP 1-4 visent à étudier quatre types spécifiques d'excitations collectives d'intérêt dans la matière topologique : les plasmons intra-bande (WP1), les plasmons inter-bandes (WP2), les ondes plasma (WP3) et les interactions e-e (WP4). Chacun de ces quatre WP est dédié à la réalisation de l'un des quatre objectifs définis dans la section I, tous contribuant à l'objectif principal final du projet. Chaque WP scientifique (1 à 4) correspond à l'étude d'un type spécifique d'excitation collective, visant à atteindre son propre objectif en tant que contribution à l'objectif principal du projet. Cependant, tous les WPs partagent une même approche, conduisant à des WPs fortement interdépendants, dans leur progression transversale. Pour chaque phénomène d'excitation collective à étudier, et donc pour chaque WP, des structures dédiées seront conçues, développées et traitées. Des calculs de structure de bande seront effectués et des théories des modes collectifs seront développées intégrant la non-parabolicité et les effets topologiques, soutenues par des investigations expérimentales approfondies.

Plusieurs articles notables ont été publiés au cours de la période. Le premier est paru dans Phys. Rev. B Rapid Communications. Ce travail met clairement en évidence l'intérêt de considérer les effets multi-particules dans les transitions optiques à partir des niveaux de Landau de mode zéro dans les puits quantiques de HgTe. Un autre article important a été publié dans Phys. Rev. Lett., traitant de la plasmonique quantique dans les semi-conducteurs. Ce travail étudie la frontière entre la plasmonique classique et la plasmonique quantique dans des couches semi-conductrices fortement dopées. De plus, des travaux importants ont été réalisés récemment pour que des structures à base de puits de HgTe émettent de la lumière dans la gamme de fréquences THz en optimisant la structure des multi-puits couplés à une structure plasmonique. Ce travail a été récemment soumis à une revue à haut facteur d'impact.

La réussite de notre étude dépend nécessairement d'un processus technologique maîtrisé. L'accent sera donc mis sur le développement de dispositifs permettant l'étude des ondes plasma et des magnétoplasmons dans des transistors et des barres de Hall avec grille, mais permettant aussi l’étude des interactions électron-électron par magnéto-optique dans des dispositifs à grilles semi-transparentes en face avant.

1. S. Mantion et al., Phys. Rev. B 102, 075302 (2020)
2. L. Bovkun et al., JETP Letters 112, 508–512 (2020)
3. V. Aleshkin et al., J. Phys. Commun. 4 115012 (2020)
4. S. Krishtopenko et al. Phys. Rev. B 102, 041404 (2020)
5. A. Vasanelli et al. Phys. Rev. Lett. 125, 187401 (2020)
6. S. Krishtopenko et al. Phys. Rev. B 101, 205424 (2020)
7. K. Tikuišis et al., Phys. Rev. B 103, 155304 (2021)
8. V. Aleshkin et al., Journal of Optics Submitted (2021)

Les excitations collectives dans la matière topologique représentent un nouveau domaine de recherche axé sur les effets conjoints d'une topologie non triviale des bandes d'énergie et les interactions électron-électron. Il existe quelques travaux expérimentaux portant sur les plasmons de Dirac à la surface d’isolants topologiques, mais de nombreuses autres excitations collectives telles que les spin-plasmons, les plasmon-polaritons ou les ondes de plasma n'ont jamais été étudiées. Or, ces modes collectifs doivent conserver les propriétés topologiques de ces matériaux à structures de bandes de type Dirac. Ces excitations collectives topologiques devraient donc être encore plus utiles en termes d’applications que la fameuse conductance quantifiée des états topologiques. L'objectif principal du projet est donc d'évaluer théoriquement et expérimentalement, l'influence de la non-parabolicité et de l'inversion de bandes sur les interactions électron-électron dans la matière topologique et de Dirac, ainsi que le potentiel de ces nouvelles excitations collectives pour réaliser des sources et détecteurs ultra-efficaces dans les domaines de l'infrarouge moyen et du térahertz. Dans le cadre de ce projet, différents phénomènes collectifs seront donc étudiés dans des hétérostructures semi-conductrices connues pour leurs propriétés topologiques et la cinématique relativiste de leurs porteurs de charges: i) les plasmons intra-bande, (ii) les plasmons inter-bandes, (iii) les instabilités plasmoniques, (iv) les interactions électron-électron en champ magnétique. Le consortium de COLECTOR réunis des équipes françaises et russes dont les compétences sont complémentaires et internationalement reconnues, à la fois sur la physique des interactions électron-électron et des phases topologiques, mais aussi sur la croissance de matériaux de Dirac. Des hétérostructures à base de HgCdTe seront fabriquées en Russie par l’un des trois seuls groupes au monde en possédant le savoir-faire, alors que les puits quantiques d’InAs/GaSb seront fabriqués en France par l’un des leaders mondiaux du domaine.