Maria Szola

Spectroscopie THz de la matière de Dirac: Cette thèse de doctorat se concentre sur l'étude des matériaux en vrac (3D) avec une structure de bande d'énergie fortement non-parabolique/linéaire (Dirac) et explore la validité des modèles relativistes dans la description des systèmes de matière condensée. Les trois premiers chapitres donnent une base générale aux techniques théoriques et expérimentales utilisées pour la réalisation des études. Les nouveaux résultats originaux sont présentés dans les trois derniers chapitres.Le premier chapitre fournit une exploration complète des principes topologiques fondamentaux en physique de la matière condensée, y compris le concept de topologie et diverses classes topologiques de matériaux tels que les isolants topologiques, les semi-métaux de Weyl et les semi-métaux de Dirac.Il met l'accent sur la caractérisation de la topologie des matériaux et sur la façon dont elle influence les propriétés électroniques, tout en considérant également le rôle des symétries cristallines dans la détermination des propriétés topologiques.Le deuxième chapitre se penche sur le comportement de la matière à l'état solide en présence d'un champ magnétique externe, en se concentrant spécifiquement sur la réponse optique, les transitions optiques dans les solides cristallins et la formation des niveaux de Landau. Il examine comment la structure du niveau de Landau affecte la réponse optique, en mettant particulièrement l'accent sur les spectres d'absorption et de réflexion.Le troisième chapitre présente les techniques expérimentales utilisées dans cette étude. La spectroscopie THz, y compris les expériences de magnéto-transmission utilisant des lasers moléculaires dans l'infrarouge lointain et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier avec un interféromètre de Michelson sont discutées.Le quatrième chapitre présente les résultats de l'analyse par spectroscopie magnéto-optique THz de films de Hg1-xCdxTe sous pression hydrostatique, en se concentrant sur les échantillons proches des valeurs critiques de x qui subissent une transition de phase topologique d'un semi-métal à un semiconducteur. En utilisant un modèle de Kane simplifié avec deux paramètres libres, l'étude détermine les potentiels de déformation hydrostatique ac-av à 4 K. En mesurant les valeurs négatives et positives de la bande interdite, l'analyse révèle le comportement des films semi-métalliques et semiconducteurs, respectivement. L'étude déduit le potentiel de déformation ac-av à basse températurepour n'importe quelle valeur de x par extrapolation linéaire basée sur les valeurs rapportées pour le CdTe, éliminant ainsi la nécessité de calculer la structure de bande pour les super-réseaux HgTe/HgCdTe.Le cinquième chapitre explore la transition de phase topologique dans le (Cd1-xZnx)3As2, un système basé sur le Cd3As2 avec une teneur en Zn variant de 1 à 22%. Les études magnéto-optiques démontrent le comportement attendu d'une transition de phase topologique quantique en observant l'évolution de la bande interdite.Le sixième chapitre étudie les propriétés d'un nouveau semi-métal de Weyl combiné, le Nb1-xTaxAs.Ce matériau présente des caractéristiques de la théorie de Weyl et combine des éléments du NbAs et du TaAs, qui sont des semimétaux de Weyl de type I bien connus. Grâce à la magnéto-réflectivité et à l'analyse de la structure des bandes, ce chapitre confirme la découverte de ce matériau révolutionnaire, le Nb1-xTaxAs, en apportant la preuve de la validité de la théorie de Weyl et en présentant des lignes de dispersion vers le bas similaires à celles observées dans le TaP.

Two-dimensional Dirac fermions in HgTe quantum wells close to the topological phase transition can generate significant cyclotron emission that is magnetic field tunable in the terahertz frequency range. Due to their relativistic-like dynamics, their cyclotron mass is strongly dependent on their electron concentration in the quantum well, providing a second tunability lever and paving the way for a gate-tunable, permanent-magnet Landau laser. In this work, we demonstrate the proof-of-concept of such a back-gate tunable THz cyclotron emitter at a fixed magnetic field. The emission frequency detected at 1.5 T is centered at 2.2 THz and can already be electrically tuned over 250 GHz. With an optimized gate and a realistic permanent magnet of 1.0 T, we estimate that the cyclotron emission could be continuously and rapidly tunable by the gate bias between 1 and 3 THz, that is to say on the less covered part of the THz gap.

Grating metamaterials were fabricated with electron beam lithography on CdTe/CdMgTe modulation doped structures with two non-interacting quantum wells. Two types of samples were studied: with etched gratings and with gratings formed by deposition of Au stripes. The polarization properties at THz frequencies of the gratings were determined at room temperature. It was shown that Au gratings formed a linear polarizer, while etched gratings did not polarize THz radiation. Transmission of circularly polarized THz radiation at low temperatures through a sample with no grating showed a strongly circularly polarized cyclotron resonance transition. Transmission of this radiation through a sample with an etched grating showed a magnetoplasmon transition that was almost perfectly linearly polarized. We concluded that magnetoplasmons in metamaterials with etched gratings are linearly polarized excitations, possibly with a small contribution of a circular component. This work opens the possibility of the detailed study of the polarization of magnetoplasmons, which has not been explored in the past.