Sonder et manipuler les semi-métaux de Dirac et de Weyl grâce au rayonnement térahertz – TERA-DIRAC

Les matériaux quantiques suscitent un fort intérêt suite à la découverte de systèmes où plusieurs phases coexistent ou sont en compétition. Sonder ces phases et contrôler leurs propriétés par des impulsions lumineuses représentent des défis passionnants en matière condensée, en vue de concevoir des dispositifs dotés de propriétés à la demande, aux fonctionnalités variables.
Le projet TERA-DIRAC s’intéresse à des matériaux prometteurs, les semi-métaux de Dirac et de Weyl (SM de D&W). Des états de la matière dits topologiques, fortement dépendants de la symétrie du système, y ont été prédits. Ainsi, en modifiant la symétrie du réseau, on peut espérer modifier leur nature topologique et induire/supprimer certaines propriétés. Les SM de D&W présentent des propriétés exceptionnelles résultant de leur topologie, en particulier une structure de bande électronique avec une dispersion linéaire en 3D autour de points de contact. Considérés comme des analogues 3D du graphène, ils sont très attractifs, tant sur le plan fondamental du fait de leur topologie inhabituelle, que sur le plan applicatif, ouvrant des perspectives pour l'optoélectronique. De plus, les degrés de liberté électroniques, structurels et topologiques sont imbriqués, ce qui rend ces matériaux très intéressants pour la manipulation des propriétés induite par la lumière.
Ce projet vise à étudier la dynamique des porteurs et de la structure cristalline dans ces nouveaux composés selon deux axes scientifiques, en s’appuyant sur les propriétés remarquables du rayonnement terahertz (THz). Le premier consiste à caractériser la dynamique des porteurs et la structure de bandes dans la gamme des basses énergies. Cet objectif est crucial pour de futures applications optoélectroniques dont les performances sont dictées par la dynamique des porteurs, mais également concernant la fascinante topologie des SM de D&W, dont la dispersion linéaire est une signature directe. Jusqu'à présent, seule la dynamique des porteurs à haute énergie a été explorée, suite à une pompe optique excitant les porteurs au-delà de la partie linéaire. En utilisant les photons de basse énergie fournis par une pompe THz, ce projet permettra de résoudre la dynamique des porteurs pour la dispersion linéaire. Il permettra d'identifier clairement les processus de relaxation et leurs constantes de temps, de sonder la conductivité des porteurs et d'identifier individuellement les modes de phonons impliqués, fournissant également une description fine de la structure de bande à basse énergie.
Le deuxième axe s’intéresse à l'exploration des modifications structurelles induites par la lumière, en identifiant les mécanismes impliqués. Compte-tenu de l’imbrication structure-topologie, l'induction de distorsions structurelles entraînerait des modifications des états topologiques. Il est essentiel d’identifier les mécanismes en jeu, afin de concevoir un contrôle lumineux approprié des matériaux. Cette partie fournira une description approfondie des degrés de liberté excités par la lumière, en suivant simultanément l'évolution temporelle des populations des porteurs et des phonons. En fonction de leurs comportements, nous déterminerons les mécanismes induits par une excitation optique, ou THz, a priori plus efficace pour interagir avec la structure.
Pour atteindre ces objectifs, le projet propose une approche expérimentale originale, s’appuyant sur des techniques ultrarapides versatiles, associant des excitations de pompe THz, caractérisées par des photons de faible énergie mais de forts champs électriques, aux spectroscopies complémentaires THz et Raman résolues en temps. La spectroscopie THz permettra de sonder les porteurs (conductivité) et les phonons IR-actifs, tandis que la spectroscopie Raman donne accès notamment aux phonons Raman-actifs. Ce projet mènera à la première démonstration d'une plateforme unique combinant pompe THz et spectroscopie Raman, particulièrement pertinente pour explorer les SM de D&W.