Ref HAL: hal-02072773_v1
DOI: 10.3390/condmat4010027
WoS: 000464288500001
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Résumé:

We report on the comparison between temperature-dependent magneto-absorption and magnetotransport spectroscopy of HgTe/CdHgTe quantum wells in terms of the detection of the phase transition between the topological insulator and band insulator states. Our results demonstrate that temperature-dependent magnetospectroscopy is a powerful tool to discriminate trivial and topological insulator phases, yet the magnetotransport method is shown to have advantages for the clear manifestation of the phase transition with accurate quantitative values of the transition parameter (i.e., critical magnetic field B c).

Ref HAL: hal-03037689_v1
DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2018.8510039
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Résumé:

We report on the temperature-dependent magneto absorption and magnetotransport spectroscopy of HgTe/CdHgTe quantum wells above the critical well thickness d(c). Our results, obtained in magnetic fields up to 16 T and temperature range from 1.7 to 150 K, clearly indicate a change in the band-gap energy with temperature. A topological phase transition between quantum spin Hall and trivial insulator states, revealing appearance of single-valley Dirac fermions at T = 27 and 90 K for 6.5 and 8 nm QWs respectively, was clearly observed in our magnetospectroscopy measurements.

Commentaires: 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Nagoya, JAPAN, SEP 09-14, 2018

Ref HAL: tel-01945240_v1
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Résumé:

Cette thèse porte sur l'exploration de différentes phases topologiques présentes dans des hétérostructures à base de mercure, cadmium et tellure (HgCdTe). Ces systèmes sont de parfaits cas d'études des états topologiques dans la matière condensée. En effet, leur structure de bande peut aisément être modifiée d'inversée à non-inversée par le biais de paramètres internes ou externes. Lorsqu'un système présente une structure de bande inversée, il a une topologie non triviale. Il est impossible de modifier cet ordre topologique sans fermer son gap, ce qui inévitablement entraîne l'apparition de particules sans masse dans son volume. Un système présentant une structure de bande inversée et un gap d'énergie finie dans lequel se trouve le niveau de Fermi, est appelé isolant topologique. Ce nouveau type de matériau est isolant dans son volume, mais abrite des états métalliques sans gap sur ses bords. Ces derniers ont une relation de dispersion linéaire et sont protégés des effets liés au désordre et de la rétrodiffusion par des impuretés non magnétiques. Ces états particuliers apparaissent à l'interface de matériaux présentant des ordres topologiques différents. Ainsi, un isolant topologique 2D se caractérise par des canaux 1D de conductance polarisés en spin à ses bords, alors qu'un isolant topologique 3D accueille des fermions de Dirac 2D, polarisés en spin, aux surfaces.L'existence de fermions sans masse 2D et 3D a déjà été démontrée expérimentalement. Cependant, la transition de phase topologique durant laquelle apparaissent les particules sans masse n'a que très peu été explorée. Il est possible de modifier la structure de bande de HgCdTe d'inversée à non inversée par le biais de la composition chimique, la pression, la température ou le confinement quantique. Ces paramètres permettent ainsi de sonder le système au voisinage de différentes transitions de phase topologiques. Dans ce travail, l'utilisation de la température comme paramètre d'ajustement continu du gap permet d'étudier au point de transition de phase l'apparition de fermions semi-relativistes de Dirac (2D) et de Kane (3D) ainsi que leurs propriétés.Les systèmes étudiés au cours de ces travaux de recherche sont des cristaux massifs de Hg1-xCdxTe et des puits quantiques HgTe/CdTe présentant des structures de bandes inversées et non inversées, ainsi que des couches minces de HgTe contraintes pouvant être considérées comme des isolants topologiques 3D ayant un confinement quantique résiduel. Tous ces systèmes possèdent des propriétés topologiques. L'interprétation des résultats s'appuie sur les prédictions théoriques basées sur le modèle de Kane. En annexe, une vue d'ensemble des puits quantiques composites InAs/GaSb, structures également identifiées comme isolants topologiques, est présentée, comportant les résultats préliminaires obtenus sur ces dernières.Toutes les structures ont été étudiées par magnétospectroscopie en transmission dans les domaines de fréquence terahertz et infra-rouge moyen à l'aide d'un dispositif expérimental spécifiquement conçu pour permettre des mesures sur une large plage de températures.

Ref HAL: hal-01932629_v1
DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2016.7758790
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Résumé:

We report on the first THz magnetospectroscopy of double HgTe quantum well in magnetic fields up to 16 T. Very recently, specific metal phase, which holds some properties of natural bilayer graphene, was predicted in this system. In this work, we focus on the double HgTe QW with parameters, corresponding to such `bilayer graphene' phase. In our experiments we clearly observe THz optical transitions from double-degenerated zero-mode Landau level. A good agreement between experimental and theoretical transition energies confirms previous prediction of `bilayer graphene' phase in double HgTe quantum wells.

Ref HAL: hal-01417831_v1
DOI: 10.1002/pssc.201510264
WoS: WOS:000387954400031
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1 Citation
Résumé:

We have found the possibility to probe the magnetic field-driven topological phase transition in HgTe-based transistors by measuring their Terahertz photoconductivity response. At the critical magnetic field to which zero-mode Landau levels cross, we have observed a pronounced photoconductivity peak independent on incident frequency and carrier concentration. Our results pave the way towards terahertz topological field effect transistors.

Ref HAL: hal-01397638_v1
DOI: 10.1103/PhysRevB.94.155421
WoS: WOS:000385624400009
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16 Citations
Résumé:

We report on magnetospectroscopy of HgTe quantum wells in magnetic fields up to 45 T in a temperature range from 4.2 up to 185 K. We observe intra- and inter-band transitions from zero-mode Landau levels, which split from the bottom conduction and upper valence sub-bands and merge under the applied magnetic field. To describe experimental results, realistic temperature-dependent calculations of Landau levels have been performed. We show that although our samples are topological insulators at low temperatures only, the signature of such a phase persists in optical transitions at high temperatures and high magnetic fields. Our results demonstrate that temperature-dependent magnetospectroscopy is a powerful tool to discriminate trivial and topological insulator phases in HgTe quantum wells.

Ref HAL: hal-01391282_v1
DOI: 10.1038/ncomms12576
WoS: WOS:000384683700001
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42 Citations
Résumé:

It has recently been shown that electronic states in bulk gapless HgCdTe offer another realization of pseudo-relativistic three-dimensional particles in condensed matter systems. These single valley relativistic states, massless Kane fermions, cannot be described by any other relativistic particles. Furthermore, the HgCdTe band structure can be continuously tailored by modifying cadmium content or temperature. At critical concentration or temperature, the bandgap collapses as the system undergoes a semimetal-to-semiconductor topological phase transition between the inverted and normal alignments. Here, using far-infrared magneto-spectroscopy we explore the continuous evolution of band structure of bulk HgCdTe as temperature is tuned across the topological phase transition. We demonstrate that the rest mass of Kane fermions changes sign at critical temperature, whereas their velocity remains constant. The velocity universal value of (1.07±0.05)x1E6 m/s remains valid in a broad range of temperatures and Cd concentrations, indicating a striking universality of the pseudo-relativistic description of the Kane fermions in HgCdTe.