Transport électrique dans des nanostructures du semimétal de Weyl WTe2

Electrical transport in nanostructures of the Weyl semimetal WTe2

• Auteur / Autrice : Valentin Labracherie
• Direction : Romain Giraud, Bernd Büchner, Joseph Dufouleur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 12/07/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Technische Universität (Dresde, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble ; 2002-....) - Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden
• Jury : Président / Présidente : Carsten Timm
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Fruchart, Benoît Jouault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Walter Escoffier, Hartmut Buhmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Propriétés magnétiques

Semi-métaux

Semiconducteurs

Mots clés libres

Transport quantique

Nanostructures

Semimétaux de Weyl

Nanostructures

Quantum Transport

Weyl semimetals

Résumé

Récemment, différentes études sur les semi-métaux de Weyl ont montré leur large potentiel pour des applications en spintroniques. En effet, les nœuds de Weyl avec leur chiralité de spin sont des sources ou puits parfait de la courbure de Berry, ce qui apporte des nouvelles propriétés de transport due à leur nature topologique, comme l'anomalie chirale et une large réponse lié à l'effet Hall anormal. De plus, les semi-métaux de Weyl de type II, comme WTe2, ont une structure de bande particulières avec leurs cônes de Weyl tiltés et un chevauchement des bandes de trous et d'électrons qui résulte en une parfaite compensation de charge et une magnétorésistance extrêmement large (XMR). Cependant, dans WTe2, les nœuds de Weyl sont normalement positionnés 50 meV au-dessus de l'énergie de Fermi, une situation qui amène des questions sur la possibilité d'observer au même moment, une XMR positive et une magnétorésistance négative attribué à l'anomalie chirale dans plusieurs études.Dans ce travail, nous investiguons les propriétés de magnéto-transport dans des nanostructures de WTe2 obtenus par différentes méthodes (exfoilation méchanique, transport chimique), considérant à la fois la bande structure réelle du matériau et les processus de diffusion liés au désordre. Il est montré que la réponse de l'XMR n'est pas directement influencé par le degré de désordre et qu'un comportement subquadratique typique peut être compris dans le cadre d'un modèle multi-bandes au delà d'un modèle deux bandes, comme confirmé par des simulations numériques. A très basse température et faible champ magnétique, une magnétorésistance négative et isotrope est observé et attribué à une propriété topologique de la structure de bandes loin des nœuds de Weyl. Ce nouveau mécanisme, différent de celui de l'anomalie chirale, nous permet de reproduire nos résultats expérimentaux par des simulations numériques basées sur la structure de bande réelle de WTe2.

Recently, different studies on Weyl semimetals have shown some great potential for applications in spintronics. Indeed, spin-chiral Weyl nodes are perfect sources or sinks of the Berry curvature, which give new transport properties due to their topological nature, such as the chiral anomaly, and a large anomalous Hall response. Moreover, type-II Weyl semimetals, such as WTe2, have a specific band structure with tilted Weyl cones and overlapping electron/hole bands that can result in a perfect charge compensation and an extremely large magnetoresistance (XMR) . Yet, in WTe2 , Weyl nodes are usually located about 50meV above the Fermi energy, a situation that questions the observation of both a large positive XMR and a negative magnetoresistance attributed to the chiral anomaly in some studies.In this work, we investigate the magneto-transport properties of WTe2 nanostructures obtained by different methods (mechanical exfoliation, chemical vapor transport), considering both the real electronic band structure and scattering by disorder. Although the XMR amplitude also depends on charge mobilities, it is shown that the subquadratic response is not strongly influenced by the degree of disorder. Taking carrier densities infered from quantum oscillations into account, a three-band model explains this behavior by a large difference in hole mobilities, as confirmed by numerical simulations. At low temperatures and for small magnetic fields, an isotropic negative magneto-resistance is observed and attributed to a topological property of the band structure far away from the Weyl nodes. This new mechanism, different from the chiral anomaly, allows us to reproduce the experimental results by numerical calculations based on the real band structure of WTe2.