Thèse soutenue

Etudes magnéto-optiques de matériaux topologiques

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Auteur / Autrice : Ivan Mohelsky
Direction : Milan OrlitaMarek Potemski
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
Date : Soutenance le 30/11/2023
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire national des champs magnétiques intenses (Grenoble ; Toulouse ; 2009-....)
Jury : Président / Présidente : Eric Beaugnon
Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Teppe, Ana Akrap, Mark Oliver Goerbig, Adolfo G. Grushin
Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Guldner, Frédéric Teppe

Mots clés

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Résumé

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L'objectif de cette thèse est une étude expérimentale de matériaux topologiques sélectionnés, certains membres bien établis de la famille topologique, et quelques nouveaux candidats. La méthode expérimentale centrale choisie pour ces études est la spectroscopie des niveaux de Landau, une combinaison de spectroscopie optique dans un domaine térahertz ou infrarouge et de champs magnétiques. Elle nous permet d'obtenir des informations sur les matériaux étudiés et de déterminer des paramètres pertinents, tels que la largeur de la bande interdite ou la dispersion énergétique des bandes électroniques, avec une précision supérieure à celle de toute autre technique.Une partie importante du travail a été consacrée à l'extension de l'installation magnéto-optique infrarouge existante au LNCMI-CNRS, à Grenoble. À cette fin, une nouvelle source de rayonnement THz a été couplée au spectromètre FTIR, permettant d'accéder à la limite réelle de basse énergie de la spectroscopie par transformée de Fourier, soit 1 meV. Une nouvelle sonde expérimentale a été conçue, fabriquée et testée. Elle permet de mesurer la magnéto-réflectivité à des températures élevées, de l'hélium liquide à la température ambiante. Enfin, plusieurs nouveaux modèles de porte-échantillons ont été conçus, permettant des mesures dans des configurations expérimentales jusqu'alors impossibles, à savoir la géométrie de Voigt ou la réflectivité dans un champ magnétique incliné. Tout ceci a été réalisé grâce à la technique de l'impression 3D.La première partie de cette thèse comprend une base théorique nécessaire à la deuxième partie de la thèse qui traite des résultats expérimentaux. Dans le chapitre 1, les isolants topologiques sont présentés, ainsi que leur bref historique. Un intérêt particulier est consacré à une famille d'isolants topologiques de "deuxième génération". Le chapitre 2 explique comment la spectroscopie optique nous permet d'explorer la structure des bandes électroniques des matériaux et pourquoi la gamme de rayonnement THz/infrarouge est utile dans la recherche sur les matériaux topologiques. En outre, la formation de niveaux de Landau dans un champ magnétique externe est décrite, à la fois dans les bandes paraboliques et coniques, et les excitations électroniques optiques inter-niveaux de Landau sont discutées. Le chapitre 3 décrit les principes de base des méthodes expérimentales utilisées, en mettant l'accent sur la spectroscopie FTIR, ainsi que sur les extensions techniques de l'installation magnéto-optique du LNCMI, à Grenoble.La deuxième partie comprend les résultats expérimentaux obtenus sur plusieurs matériaux topologiques étudiés. Le chapitre 4 décrit la réalisation expérimentale d'un "isolant topologique idéal", le BiSbTe2S dopé au Sn, et présente une réponse magnéto-optique caractéristique des états topologiques de surface 2D. Le chapitre 5 se concentre sur une étude complète de la structure des bandes électroniques du Sb2Te3. Nous nous concentrons principalement sur les excitations à basse énergie, ce qui nous permet de déterminer la largeur et le type de la bande interdite dans ce système. Le chapitre 6 présente l'évolution en température de la bande interdite du ZrTe5, ce qui nous permet de mieux comprendre sa phase topologique, qui fait l'objet de nombreux débats. Le chapitre 7 passe en revue notre étude approfondie de l'EuCd2As2, un matériau aujourd'hui considéré comme un exemple représentatif des semi-métaux magnétiques de Weyl. Nous montrons que ce matériau est en fait un semi-conducteur magnétique, plutôt qu'un semi-métal, remettant ainsi en question le consensus récemment établi. Le chapitre 8 est consacré à d'autres projets en cours, à savoir une étude magnéto-optique de HfTe5 et de sa dépendance à la température, une étude magnéto-optique d'un isolant topologique magnétique MnBi2Te4 et l'observation de la fermeture de la bande interdite dans PbSnSe, un isolant topologique cristallin, sous l'effet de la température.