Description du sujet de thèse

TITRE DE LA THÈSE : ISOLANTS TOPOLOGIQUES FERROÉLECTRIQUES POUR L'ÉTUDE DES FERMIONS DE WEYL

RÉSUMÉ DU PROJET DE THÈSE :
Ces dernières années, la fusion de la topologie avec d’autres phénomènes physiques tels que la supraconductivité, le ferromagnétisme ou la ferroélectricité a suscité un énorme intérêt. La réduction de symétrie qui en a résulté a conduit à des percées exceptionnelles et à la découverte de nouvelles phases exotiques de la matière, telles que la phase Hall anormale quantique en présence d'interactions magnétiques et de fermions de Majorana à l'interface d'un isolant Hall anormal quantique et d'un supraconducteur. Celles-ci sont considérées comme des voies très prometteuses vers l’informatique quantique en raison de la robustesse des fermions de Majorana contre la décohérence et de nombreuses autres applications ont en outre été envisagées.
Dans le présent travail, nous nous concentrerons sur l’interaction fascinante entre la topologie et la ferroélectricité. D’un point de vue fondamental, la combinaison de la ferroélectricité et de la topologie devrait héberger des fermions de Weyl. Ces fermions relativistes peuvent être imités par des électrons sans masse possédant une chiralité définie, ce qui signifie que leurs spins sont parallèles ou antiparallèles à leur impulsion. Ils sont au coeur d'un grand nombre de propriétés exceptionnelles qui commencent tout juste à être étudiées, telles que les courants chiraux sans dissipation entraînés par l'effet magnétique chiral, la conversion efficace de charge de spin grâce au grand effet Hall anormal ou la génération efficace d'harmoniques supérieurs due à à une dynamique ultrarapide. Les fermions de Weyl sont également des particules prometteuses pour former des qubits basés sur la chiralité. Il est donc d’un grand intérêt d’établir une plateforme capable de contrôler et de manipuler les fermions de Weyl.
L'objectif de la proposition est de développer des isolants topologiques ferroélectriques en tant que nouvelle classe de matériaux quantiques et de les utiliser pour le contrôle et la manipulation des fermions chiraux de Weyl. Les trois objectifs de l'étude seront de
• Concevoir et synthétiser de nouveaux matériaux topologiques ferroélectriques,
• Démontrer l'interaction entre les distorsions ferroélectriques et les propriétés électroniques fondamentales pour induire et adapter les fermions de Weyl,
• Décrypter de nouveaux phénomènes de transport et d'optique spécifiques à la phase de Weyl afin d'ouvrir de nouvelles voies vers des applications en physique de Weyl.

Les hétérostructures étudiées de haute qualité seront cultivées par épitaxie par jet moléculaire et caractérisées par XRD, STM et ARPES par nos collaborateurs de l'Université Johannes Kepler de Linz (Autriche).

Contexte de travail

Le LPENS est un laboratoire au coeur du 5ème arrondissement de Paris. Il fait partie du département de physique de l’ENS, il interagit fortement avec les autres départements scientifiques de l’ENS. L'équipe d'accueil fait partie de l'axe Matériaux et dispositifs quantiques. Elle s’intéresse aux propriétés optiques et électroniques de matériaux quantiques novateurs, dans la gamme spectrale térahertz (THz) et moyen infrarouge. Elle est spécialisée dans la spectroscopie ultra-rapide THz et la magnéto-spectroscopie de nanostructures aussi variées que les lasers et détecteurs à cascade quantique, les nouveaux matériaux 2D, les matériaux et dispositifs de la spintronique et les isolants topologiques.