Accueil > Français > Actualité

Les isolants topologiques sondés par des impulsions laser ultrarapides


Les isolants topologiques sont un nouveau état quantique de la matière : ces matériaux sont caractérisés par des états électroniques conducteurs en surface, tandis qu’ils sont isolants dans le volume. Les électrons de surface possèdent une mobilité exceptionnelle et sont particulièrement insensibles à la présence de défauts, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour transmettre le courant électrique et les informations avec une vitesse sans précédent.

Pour pouvoir exploiter ce potentiel, il est néanmoins nécessaire de pouvoir contrôler ces électrons de surface sur une échelle de temps très courte, ce qui peut être possible par exemple avec des impulsions de lumière ultra-brèves. Une équipe formée par des chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides, du Laboratoire des Solides Irradiés, du synchrotron SOLEIL et des Universités américaines de Purdue et de Princeton a utilisé une technique expérimentale nouvelle et très puissante —la photoémission angulaire avec une sources laser femtoseconde, — qui permet d’observer en temps réel la dynamique des bandes électroniques. Cette méthode permet l’observation directe de l’évolution des électrons de surface, qui dans les isolants topologiques sont organisés dans des bandes avec une structure particulière —le cône de Dirac— comme montré dans un article publié récemment dans la revue Nature Communications.

Film : séquence d’images de photoémission angulaire ultrarapide qui révèle la dynamique des électrons photoexcités dans le cône de Dirac de l’isolant topologique Bi2Te3

 

Suite à l’excitation avec une impulsion laser, les électrons sont excités dans des états normalement vides et leur relaxation peut être suivie en temps réel dans des séquences d’images (voir le film) qui permettent de mesurer directement la durée de vie des excitations. Ces mesures, effectuées sur plusieurs isolants topologiques de la famille Bi2Te3 et Bi2Te2Se, ont montré que l’on peut créer une asymétrie entre électrons et trous dans les états conducteur de surfaces. Grâce aux propriétés uniques des fermions de Dirac, cela permet de générer avec la lumière des états électroniques fortement hors équilibre et avec une durée de vie exceptionnellement longue, de plusieurs dizaines de picosecondes (voir la figure), ce qui est absolument sans précédent pour un état métallique.


Figure : Évolution temporelle du cône de Dirac et des bandes électroniques de l’isolant topologique Bi2Te3 suite à l’excitation avec des impulsions laser ultrarapides.

 

Le déplacement transitoire du potentiel chimique des fermions de Dirac se traduit dans un changement important de la barrière énergétique entre les bandes électroniques du volume et les états métalliques de surface. Cette discontinuité correspond à la barrière de Schottky, le paramètre physique fondamental pour le fonctionnement des dispositifs comme les diode semi-conductrices : la possibilité de modifier et de contrôler cette barrière avec des impulsions de lumière ultrarapides a donc un grand intérêt dans la perspective d’utiliser les isolants topologiques pour une nouvelle génération de dispositifs photoconducteurs.

 

Contact :
Marino Marsi
Evangelos Papalazarou

Référence :
Tuning a Schottky barrier in a photoexcited topological insulator with transient Dirac cone electron-hole asymmetry
M. Hajlaoui, E. Papalazarou, J. Mauchain, L. Perfetti, A. Taleb-Ibrahimi, F. Navarin, M. Monteverde, P. Auban-Senzier, C.R. Pasquier, N. Moisan, D. Boschetto, M. Neupane, M.Z. Hasan, T. Durakiewicz, Z. Jiang, Y. Xu, I. Miotkowski, Y.P. Chen, S. Jia, H.W. Ji, R.J. Cava and M. Marsi.
Nature Communications, 5, 3003, (2014).
disponible aussi sur la base arXiv