Étude magnéto-optique des transitions de phase topologique dans les alliages Pb₁₋ₓSnₓSe et leurs hétérostructures

by Gauthier Krizman

Doctoral thesis in Physique

Under the supervision of Yves Guldner and Louis-Anne de Vaulchier.

defended on 06-10-2020

in Université Paris sciences et lettres , under the authority of École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , in a partnership with Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....) (laboratoire) , École normale supérieure (Paris ; 1985-....) (Établissement de préparation de la thèse) and Équipe de recherche Nano-THz (Paris) (équipe de recherche) .

Thesis committee President: Dimitri Roditchev.

Thesis committee members: Yves Guldner, Louis-Anne de Vaulchier, Dimitri Roditchev, Frédéric Teppe, Mark Oliver Goerbig, Emmanuelle Deleporte.

Examiners: Frédéric Teppe, Mark Oliver Goerbig.

keywords

• Condensed matter physics
• Topological insulators
• Magneto-optics
• K.p theory
• Dirac and Weyl fermions

Alternative Title

Magneto-optical study of topological phase transitions in Pb₁₋ₓSnₓSe alloys and their heterostructures

Abstract

This thesis deals with topological phases in Pb₁₋ₓSnₓSe alloys and their heterostructures. The topological and electronic properties of Pb₁₋ₓSnₓSe are characterized by using magneto-spectroscopy and numerous external and internal knobs like chemical composition, temperature, strain or magnetic field. The heterostructures are investigated to experimentally reach the topological interface states. A hybridization engineering of these topological interface states is demonstrated in both quantum wells and superlattices. The effect of a magnetic doping is also investigated. The great versatility of the Pb₁₋ₓSnₓSe-based system paves the way for the observation of numerous pseudo-relativistic phases such as quantum spin Hall effect, quantum anomalous Hall effect or Weyl fermions, …

keywords

• Physique du solide
• Isolants topologiques
• Magnéto-optique
• Théorie k.p
• Fermions de Dirac et de Weyl
• Physique

Abstract

Cette thèse étudie les phases topologiques des alliages de Pb₁₋ₓSnₓSe et de leurs hétérostructures. La caractérisation des propriétés électroniques et topologiques de Pb₁₋ₓSnₓSe est réalisée en magnéto-optique en fonction de plusieurs paramètres internes et externes comme la composition chimique, la contrainte, la température ou le champ magnétique. Les états topologiques d’interface sont caractérisés dans les hétérostructures, et contrôlés via une ingénierie d’hybridation. La polyvalence du système à base de Pb₁₋ₓSnₓSe est mise en évidence. Elle ouvre la voie à l’observation dans de bonnes conditions (grand gap topologique et bonne qualité cristalline) de nombreuses phases pseudo-relativistes de la matière comme l’effet Hall quantique de spin, l’effet Hall quantique anormal ou les fermions de Weyl, …