Blanc SIMI 4 - Blanc - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués

Etude de l'Isolant topologique HgTe (Tellurure de mercure) sous contrainte – SemiTopo

Etude des états de surface de l’isolant topologique HgTe (Tellurure de Mercure)

A cause de ses propriétés topologiques, ce matériau développe à sa surface un gaz électronique conducteur aux propriétés relativistes et chirales. Le matériau est obtenu par croissance épitaxiale à partir d’un substrat de CdTe, ce qui ouvre un petit gap isolant dans ce semi-métal. Les états de surface du matériau ont pu être étudiés par photoémission (ARPES) de façon à révéler leur relation de dispersion et leur position relative par rapport aux bandes de volume

Epitaxie, Spectre ARPES, relations de dispersion, magnéto-transport, Effet Hall quantique

Un certain nombre de développements ont dû être apportés aux techniques d’épitaxie utilisées pour les détecteurs infrarouges de façon à obtenir des couche minces (entre 15 et 100 nm d’épaisseur). Ces couches ont une faible rugosité de surface et ont permis l’étude des spectres ARPES des états de surface avec une haute résolution.

L’intérêt sur les matériaux topologiques a conduit le groupe théorique à étudier comment des phases topologiques pouvaient être obtenues dynamiquement. L'idée est d'induire des propriétés topologiques non-triviales en excitant le système par un champ électromagnétique AC. Sous des conditions appropriées, les états de surface topologiques hors équilibre se manifestent dans la conductance différentielle d'une manière similaire aux états de surface de la phase topologique à l'équilibre.

Les spectres ARPESi se manifestent sur des couches de 35 et 100 nm d’épaisseur par un cône de Dirac intense, dont le sommet est très proche du haut de la bande de volume G8,HH. Sur des couches plus minces (entre 23 et 9.5 nm d’épaisseur, des sous-bandes relativistes, quantifiées par l’épaisseur de l’échantillon sont observées. Elles correspondent à une transmission élevée entre les faces inférieure et supérieure de l’échantillon par l’intermédiaire d’états résonants sur les bords. En fait on peut considérer ces états comme couvrant toutes les surfaces de l’échantillon. Pour les études de transport, une grille électrostatique a été ajoutée de façon à déplacer en énergie le potentiel chimique du gaz électronique. On accède ainsi aux états de surface “électroniques” (au dessus du point de Dirac) et “trous” (en dessous). Les études de l’effet Hall sur des couches minces de 15 nm, montrent des quantifications distinctes de part et d’autre du point de Dirac. Du coté électronique, les plateaux correspondent à une quantification sxy=(N_top+N_bottom+1) e^2/h, correpondant à l’addition indépendante des contributions des surfaces opposées. Du coté trou, la quantification observée est sxy=(2N+1) e^2/h, avec des nombres quantiques identiques sur les 2 faces. Cette différence est consistante avec un couplage fort entre les deux faces pour les étatsde trous.

Il s’agit d’un projet de recherche fondamentale a plusieurs volets: le développement de la croissance d’HgTe en couche minces, l’étude de ses propriétés physique et analyse théorique des phases topologiques. Il a été mené à bien par le CEA-LETI, l’Institut Néel et le Laboratoire de Physique de l’Ecole Normale de Lyon. L’équipe CASSIOPEE du Synchrotron Soleil a été associée au projet pour les mesures ARPES.

- Revealing Dirac fermions in strained three-dimensional HgTe topological insulators via Quantum Hall spectroscopy.C. Thomas1, O. Crauste2,3, C. Bäuerle2,3, L.P. Lévy2,3, E. Orignac4, D. Carpentier4, P. Ballet1, and T. Meunier2,3, (submitted) - Probing (topological) Floquet states through DC transport Michel Fruchart, Pierre Delplace, Joseph Weston, Xavier Waintal, David Carpentier Physica E 75 (2016) 287-294 - Minimal conductivity, topological Berry winding and duality in three-band semimetals, Thibaud Louvet, Pierre Delplace, Andrei A. Fedorenko, David Carpentier, Phys. Rev. B 92, 155116 (2015) - Topological surface states of strained Mercury-Telluride probed by ARPES O. Crauste, Y. Ohtsubo, P. Ballet, P. Delplace, D. Carpentier, C. Bouvier, T. Meunier, A. Taleb-Ibrahimi, L. Lévy, [arXiv:1307.2008] - C. Thomas, X. Baudry, JP. Barnes, M. Veillerot, Ph. Jouneau, S. Pouget, O. Crauste, T. Meunier, LP. Levy and P. Ballet, « MBE growth and interface characterization of strained HgTe/CdTe topological insulators », Journal of Crystal Growth 425, 195 (2015). DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2015.02.046. - P. Ballet, C. Thomas, X. Baudry, C. Bouvier, O. Crauste, T. Meunier, G. Badano, M. Veillerot, JP. Barnes, PH. Jouneau and LP. Levy, “MBE growth of strained HgTe/CdTe topological insulator structures”, Journal of Electronic Materials 43, 2955 (2014). DOI: 10.1007/s11664-014-3160-z. - “Un nouvel état de la matière”, Laurent P. Lévy et David Carpentier, Pour la science (2013)

Le Tellurure de Mercure un excellent isolant topologique lorsqu'on applique une contrainte qui ouvre un gap semi-conducteur. Lorsque le potentiel chimique est placé à l'aide d'une grille dans ce gap, la conduction électrique a lieu à la surface du matériau par des porteurs de Dirac (sans masse effective): c’est un isolant topologique de grande qualité (le meilleur) avec très peu de conduction tridimensionnelle. Au cours de ce projet, ce matériau sera développé de façon a contrôler l'énergie des états de surfaces (les porteurs de Dirac), et à obtenir les meilleurs propriétés de transport possibles (mobilité, rugosité d'interface, etc). La structure de bande, l’énergie et la dispersion des états de surface sera étudiée par photoémission (ARPES) au synchrotron SOLEIL et comparée à aux modèles théoriques appropriés à ce système. Les propriétés de transport en champ magnétique seront étudiées, notamment les phases d'effet Hall quantique qui apparaissent à fort champ. Des expériences spécifiques seront faites pour caractériser et comprendre les états de bicouches de Hall que nous venons de découvrir. A fort champ nous étudierons une phase isolante qui semble être un isolant de Hall (résistivité longitudinale infinie associée à résistivité de Hall finie). L’Hg1-xCdxTe est un matériau non centro-symétrique dont le gap est ajustable en taille et en signe. Entre la phase isolante (CdTe) et topologique (HgTe) , une phase semi-métallique dont la nature n’est pas connue a été prédite par des arguments de symétrie. Son analyse théorique précisera les conditions nécessaires à son observation ainsi que les expériences permettant de l’observer.
Au niveau des dispositifs, nous fabriquerons des nanostructures hybrides ou les porteurs de Dirac sont en proximité avec des supraconducteurs. Nous étudierons ces structures et ferons la spectroscopie des états d’Andreev avec pour objectif ultime la mise en évidence des fermions de Majorana dont l’existence a été prédite dans de ces structures. Nous fabriquerons des structures simples permettant de filtrer et manipuler les spins des porteurs de Dirac, à la fois dans la limite de l’effet Hall quantique de spin à deux dimensions ( dans des puits quantiques) et dans la limite tridimensionnelle de l’isolant topologique.

Coordination du projet

Laurent LÉVY (Institut Néel) – laurent.levy@grenoble.cnrs.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ENS-Lyon CNRS Laboratoire de Physique
CNRS Institut Néel
CEA/LETI Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives/Laboratoire d'électronique de technologie de l'information-Minatec

Aide de l'ANR 553 892 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2012 - 48 Mois

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