Explorer l'interaction entre le magnétisme et les propriétés électroniques dans les monocouches d'isolants topologiques magnétiques – IMAGIN

Les matériaux quantiques peuvent montrer une grande variété de phénomènes collectifs gouvernés par la mécanique quantique et sont très prometteurs pour de futures applications. Dans les matériaux bidimensionnels en particulier, les phases topologiques tels que l’effet hall quantique anormal (QAH) ont des applications potentielles dans les domaines de la spintronique, de la métrologie quantique ou de l’électronique basse consommation.
L’effet QAH, caracterisé par l’existence d’un canal de conduction unidimensionnel autour d’une surface isolante, a été prédit et observé dans les isolants topologiques 3D (3D TI) pour lesquels un gap des états de surfaces topologiques a été ouvert par une rupture de la symétrie par renversement du sens du temps (TRS). Bien que découvert il y a une dizaine d’années dans les 3D TI magnétiquement dopés, le contrôle et la reproductibilité de l’effet QAH dans différents matériaux à été extrêmement difficile. De nouveaux matériaux et systèmes présentant l’état QAH sont donc activement recherchés. Un nouveau paradigme est apparu à la découverte des 3D TI intrinsèquement magnétiques, tels que MnBi2Te4 (MBT). Dans ces 3D TI magnétiques, la symétrie TRS est brisée dans le volume sans pour autant affecté le caractère topologique du système, engendrant une ouverture de gap en deçà de la temperature de transition magnétique. Les 3D TI magnétiques et en particulier les membres de la famille MBT sont donc l’objet d’intenses recherche de croissance, spectroscopie et transport, pour mieux comprendre les propriétés électroniques et topologiques de ces matériaux.

En particulier, les propriétés magnétiques, électroniques et topologiques sont fortement couplés dans les 3D TI magnétiques, et dépendent de plus fortement du detail microscopique et du désordre du système. Des efforts sont donc nécessaires pour fabriquer des matériaux de très haute qualité, et pour comprendre les interactions entre magnétisme, topologie et propriétés électroniques dans les TI magnétiques.

Le but de ce projet est d’étudier les propriétés magnétiques, électroniques et topologiques et leurs interdépendances dans les couches de 3D TI magnétiques MBT, des les couches épaisse aux monocouches, via des mesures de magnéto-transport.
Pour cela, nous allons étudier le transport quantique et les oscillations quantiques dans des nanostructures de MBT de haute qualité en champ magnétique. Les mono couches de MBT sur Bi2Te3 (monoMBT/BT), qui sont prédit réaliser un nouveau système QAH, seront au centre du projet. Nous étudierons également le transport quantique cohérent et tenteront de mesurer la dynamique de spin via des mesures de résonance paramagnétique électronique détectés électriquement (ED-ESR).

Pour mesurer les propriétés topologiques, magnétiques et électroniques de MBT, le projet sera orienté selon deux axes.

La mesure des propriétés électronique (masse effective, courbure de bande) des couches minces et monolayer de MBT via les oscillations quantiques Shubnikov-de-Haas à fort champ magnétique. Ceci est particulièrement interessant pour les heterostructures monoMBT/BT, dans lesquels la reconstruction des bandes entre le MBT et le BT est inconnue.

L’étude des propriétés électroniques et de spin statiques et dynamiques des couches minces et des monocouches de MBT via le transport quantique. Pour accéder aux propriétés électronique et de spin, l’effet Hall anormal et les oscillations cohérentes (UCF, effet Aharonov-Bohm) seront étudiés. De plus, la dynamique des spins et leur interaction avec les électrons de conduction sera étudiée via des mesures de ED-ESR.