Matériaux quantiques étudiés par photoémission résolue en temps et en angle

Time- and angle-resolved photoemission studies of quantum materials

• Auteur / Autrice : Jiuxiang Zhang
• Direction : Marino Marsi, Evangelos Papalazarou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Claude Pasquier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Fagot-Revurat, Ján Minár, Jelena Sjakste
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Fagot-Revurat, Ján Minár

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fermions de Dirac

Fermions de Weyl

Matériaux topologiques

Dynamique ultra-rapide

Spectroscopie femtoseconde

Dichroïsme

Spectroscopie de photoélectrons

Mots clés libres

Matériaux topologiques

Fermion de Dirac

ARPES résolue en temps

Fermion de Weyl

Dichroïsme

Topological materials

Dirac fermion

Time resolved ARPES

Weyl fermion

Dichroism

Résumé

Les matériaux quantiques représentent une classe de systèmes physiques de la matière condensée dont la structure électronique possède de nombreuses propriétés exotiques, au-delà de la simple théorie des bandes dans les solides. Par exemple, les isolants topologiques présentent des cônes de Dirac avec le spin fixé par leur vecteur d’onde, et les composés de Weyl présentent des fermions chiraux qui apparaissent par paires avec une chiralité opposée. Une information clé pour comprendre les propriétés de ces matériaux est leur structure de bande électronique, qui peut être directement mesurée par ARPES. Dans cette thèse, de nouveaux résultats sont présentés sur certains prototypes de matériaux quantiques, explorant leurs états transitoires suite à une excitation optique ultrarapide et modifiant leurs propriétés avec un dopage chimique de surface. En particulier, je me suis concentré sur les isolants topologiques Bi₂Se₃ et Bi₂Te₂Se, le semi-métal de Dirac BaNiS₂ et le semi-métal de Weyl de type II MoTe₂, étudiés avec ARPES et ARPES résolues en temps. Dans la première partie, je présente des résultats obtenus avec un détecteur ARTOF, fournissant une cartographie complète des bandes dans l'espace réciproque. Les mesures de dichroïsme circulaire sur Bi₂Te₂Se et Bi₂Se₃ ont révélé que la texture de spin de ces composés possède des composants hors plan. La même approche a ensuite été utilisée pour étudier BaNiS₂, et en exploitant les effets des éléments de matrice, j'ai obtenu de nouvelles informations sur le caractère orbital de ses bandes près du niveau de Fermi. Ensuite, je présente les résultats d'expériences de dopage en surface par électrons et trous sur BaNiS₂, montrant que ces méthodes chimiques permettent de changer la position des cônes de Dirac dans l'espace réciproque. En particulier, le dopage de surface en électrons peut déplacer les cônes de Dirac vers Gamma et vers le bas en énergie, et le dopage de surface en trous déplacera les cônes de Dirac dans la direction opposée, c'est-à-dire loin de Gamma et vers le haut en énergie. Cette manipulation de la position du cône de Dirac dans BaNiS₂ peut être expliquée par un modèle récemment proposé basé sur le rôle du gap de transfert de charge dans ce composé. Dans le dernier chapitre je présente mes études sur les transitions de phase dans MoTe₂. La transition de phase entre la phase 1T' et la phase Td a été confirmée par des mesures de diffusion Raman. La différence entre ces deux phases est également révélée par les données ARPES. Le dopage électronique de surface a été ensuite utilisé sur les deux phases de MoTe₂. Les résultats montrent que la fermiologie est modifiée dans Td-MoTe₂ après évaporation d’atomes de K à la surface.

Quantum materials represent a class of condensed matter physics systems whose electronic structures possess many exotic properties, beyond the simple band theory of solids. For example, topological insulators present spin-momentum locked Dirac cones, and Weyl compounds present chiral fermions that appear in pairs with opposite chirality. A key information to understand these materials’ properties is their electronic band structure, which can be directly measured by ARPES. In this thesis, new results are presented on some prototype quantum materials, exploring their transient states following ultrafast optical excitation and modifying their properties with surface chemical doping. In particular, I focused on the the topological insulators Bi₂Se₃ and Bi₂Te₂Se, the Dirac semimetal BaNiS₂ and the Type-II Weyl semimetal MoTe₂, studied with ARPES and time- resolved ARPES. In the first part, I present results obtained with an ARTOF detector, providing a complete map- ping of the bands in reciprocal space. The circular dichroism measurements on Bi₂Te₂Se and Bi₂Se₃ revealed that the spin texture of these compounds possesses out-of-plane components. The same approach was then used to study BaNiS₂, and by exploiting matrix elements effects I obtained novel information on the orbital character of its bands near the Fermi level. Later I present the results on surface electron and hole doping experiments on BaNiS₂, showing that, these chemical methods make it possible to tune the Dirac cones in reciprocal space. In particular, surface electron doping can move the Dirac cones towards Γ and shift downwards in energy and surface hole doping will move the Dirac cones in the opposite direction, i.e., away from Γ and up- wards in energy. This manipulation of the Dirac cone position in BaNiS₂ can be explained by a recently proposed model based on the role of the charge transfer gap in this compound. In the last chapter I present my studies of phase transitions in MoTe₂. The phase transition between 1T’ and Td phase was confirmed by Ra- man scattering measurements. The difference between these two phase also can be found in ARPES data. The surface electron doping is implemented on both 1T’ and Td phase MoTe₂. The results show that the fermiology is modified in Td-MoTe₂ after doping with certain amount of K atoms, while this phenomenon is not observed in 1T’-MoTe₂.