Etudes magnéto-optiques de matériaux topologiques

Magneto-optics of topological materials

• Auteur / Autrice : Ivan Mohelsky
• Direction : Milan Orlita, Marek 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Teppe, Ana Akrap, Mark Oliver Goerbig, Adolfo G. Grushin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yves Guldner, Frédéric Teppe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétooptique

Résonance cyclotronique

Matériaux topologiques

Mots clés libres

Matériaux topologiques

Résonance cyclotron

Propriétés magnéto-Optiques

Cyclotron resonance

Topological materials

Magneto-Optics

Résumé

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.

The aim of this thesis is an experimental investigation of selected topological materials, some well-established members of the topological family, and some novel candidates. The central experimental method chosen for these studies is Landau level spectroscopy, a combination of optical spectroscopy in a terahertz or infrared range and magnetic fields. It allows us to get insights into studied materials and to determine relevant parameters e.g. the width of the band gap, or energy dispersion of the electronic bands, with higher precision than any other technique.A significant part of the work was dedicated to the extension of the existing infrared magneto-optical setup at the LNCMI-CNRS, Grenoble. To this end, a novel source of THz radiation was coupled to the FTIR spectrometer, allowing one to access the real low-energy limit of the Fourier-transform spectroscopy 1 meV. A new experimental probe was designed, fabricated and tested. It enables magneto-reflectivity measurements at elevated temperatures in the range from liquid helium up to room temperature. Finally, several new designs of sample holders were made, allowing measurements at previously not possible experimental configurations, namely Voigt geometry or reflectivity in a tilted magnetic field. All these were realized thanks to the 3D printing technique.The first part of this thesis comprises a theoretical basis necessary in the second part of the thesis which deals with experimental results. In Chapter 1, topological insulators are introduced, together with their brief history. Special interest is dedicated to a family of ``second generation'' topological insulators. Chapter 2 explains how optical spectroscopy allows us to explore the electronic band structure of materials and why the THz/infrared range of radiation is useful in the research on topological materials. Further, a formation of Landau levels in an external magnetic field is described, in both, parabolic and conical bands, and optical inter-Landau level electron excitations are discussed. In Chapter 3, the basic working principles of used experimental methods are described, with a focus on a FTIR spectroscopy, together with the technical extensions of the working magneto-optical setup in LNCMI, Grenoble.The second part comprises experimental results obtained on several studied topological materials. Chapter 4 describes an experimental realization of an ``ideal topological insulator'' Sn-doped BiSbTe2S and presents a characteristic magneto-optical response of the 2D topological surface states. Chapter 5 focuses on a comprehensive study of the bulk electronic band structure of Sb2Te3. We primarily focus on its low-energy excitations which allows us, to determine the width and type of the energy band gap in this system. Chapter 6 presents a temperature evolution of the bulk band gap of ZrTe5, bringing insight into its largely debated topological phase. Chapter 7 reviews our extensive study of EuCd2As2, a material nowadays classified as a representative example of magnetic Weyl semimetals. We show that this material is actually a magnetic semiconductor, rather than semimetal, thus challenging the recently established consensus. Chapter 8 is dedicated to other ongoing projects, namely, a magneto-optical study of HfTe5 and its temperature dependence, a magneto-optical study of a magnetic topological insulator MnBi2Te4 and observation of temperature-driven closing of the band gap in PbSnSe, topological crystalline insulator.