Manifestation du caractère topologique dans les propriétés de volume

L’aspect topologique des excitations électroniques d’un matériau a révolutionné notre compréhension de la physique des semiconducteurs. Cet aspect topologique est en rapport direct avec l’ordre orbital des bandes du semiconducteur. Un matériau ayant une parité orbitale inversée par rapport aux semiconducteurs conventionnels (GaAs, Si, PbSe), est considéré topologiquement distinct de ces derniers. Ce caractère topologique non-trivial donne naissance à un état de Dirac de masse nulle sur la surface du matériau. Cet état de surface de Dirac est généralement considéré comme la seule manifestation du caractère topologique non-trivial.

Dans un article récemment publié dans Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 119 106602 (2017)), l’équipe Magnéto-spectroscopie infrarouge du LPA et du Département de Physique de l’ENS en collaboration avec l’Université Johannes Kepler de Linz en Autriche et BESSY-II à Berlin en Allemagne, a démontré que le caractère topologique non-trivial d’un alliage de semiconducteurs Pb1-xSnxSe pouvait être déterminé par ses propriétés volumiques de transport électronique à haut champ magnétique et non pas seulement par ses propriétés de surface comme il était jusqu’à présent généralement admis.

Ils ont démontré que le caractère topologique non-trivial d’un alliage de semiconducteurs Pb1-xSnxSe pouvait être déterminé expérimentalement par ses propriétés volumiques de transport électronique à haut champ magnétique (et non pas seulement par ses propriétés de surface comme il était jusqu’à présent généralement admis). Plus précisément, les travaux de l’équipe montrent que la résistance longitudinale du matériau comme fonction du champ magnétique (ou magnéto-résistance) permet de différencier un état topologique d’un état trivial.

De plus, ils établissent théoriquement le lien entre magnéto-résistance et structure des niveaux électroniques en présence d’un fort champ magnétique (niveaux de Landau). Dans un état topologique, un niveau N=0 anormal conduit à une fermeture du gap de la structure de bandes, effet opposé de ce qui est habituellement observé dans un système trivial. Et la fermeture (resp. ouverture) du gap étant reliée à une magnétorésistance négative (resp. positive), cela permet d’expliquer les observations expérimentales.

Cette réussite complète un travail précédent de l’équipe et de ses collaborateurs qui ont montré que l’indice topologique donnant le caractère trivial ou non-trivial d’un alliage ternaire IV-VI de chalcogénures plomb-étain pouvait être déterminé par la mesure précise en magnéto-optique de la vitesse de ses fermions de Dirac. Nature Partner Journals Quantum Materials 2 26 (2017). Ces deux résultats contribuent aux travaux de l’équipe portant sur l’établissement d’un diagramme de phase topologique de Pb1-xSnxSe et sur la recherche de nouvelles phases quantiques dans ces matériaux soumis à des champs magnétiques intenses et au confinement quantique.

Ce travail fait l’objet d’une suggestion des éditeurs de Physical Review Letters. Il est financé en partie par le LabEx ENS-ICFP.