IRIDOTI — Dopage par Irradiation des IsolantsTopologiques

Une découverte majeure a marqué la physique des matériaux électroniques les derniers années. Le point de départ a été la prédiction théorique d'une catégorie nouvelle des isolateurs topologiques (TI) tridimensionnelles, caractérisées par une bande interdite ouverte dans le volume mais développant les états de surface de type cônes de Dirac avec bande interdite nulle et loi linéaire de dispersion E(k) d'énergie en fonction de moment k. La masse effective des porteurs sur ces états de surface est nulle et le spin est figé et opposé pour les deux branches formant le cône. Ces états sont insensibles à la perturbation représentant la symétrie d'inversion de temps et la diffusion des porteurs de mémé énergie de k à -k est impossible. Si réalisées, ces systèmes ont potentiellement une application dans le domaine de spintronique et dans le calcul quantique. En pratiqué l'accès aux états 2D est rendu difficile par le fait que le volume de TI est généralement conducteur. Plusieurs méthodes d'élimination de conductivité dans le volume, par nano structuration, dopage, variation de composition ou le polarisation électrostatique n'ont pas été couronnées de succès. Nous proposons un approche nouvelle par utilisation de l'irradiation pour création des défauts charges et compensation de la conductivité "intrinsèque" dans le volume. Utilisant les électrons et protons dans la gamme d'énergie inferieure à 3MeV nous allons créer les défauts élémentaires (lacunes et interstitiaux) et (a) ajuster la concentration de porteurs et déplacer le niveau de Fermi vers le point de Dirac (b) réduire la conductivité dans volume par l'effet de localisation Anderson. Le premier effet va compenser les porteurs de charge mobiles dans le volume, le second va nous permettre de tester les concepts théoriques récents de l'Effet Quantique de Hall Anormal (QAHE). Identification de contributions de volume et de surface dans les échantillons dopes par irradiation va être réalisée par combinaison de mesures de transport électronique en champ magnétique intense, en particulier des oscillation quantiques de Shubnikov – de Haas (SdH) et de mesures de Spectroscopie de Photoémission Résolu en Angle (ARPES). Fabrication des TI donc la conductivité en volume soit éliminée est le but primaire de notre projet. Le second objectif du projet est élucidation de l'effet de désordre sur les canaux de conduction de surface des TI. Désordre est un élément crucial dans la description de matière condensée quantique, il est a l'origine des effets tels que la transition métal isolant, effet Hall quantique entier et fractionnel. On sait que le dopage introduit le désordre aléatoire, mais les effet des dopants charges et avec un spin à longue portée dans les isolateurs topologiques restent à élucider. En variant la dose d'irradiation nous pouvons obtenir l'augmentation de résistivité par plusieurs ordrés de magnitude quand le potentiel chimique approches le point de Dirac. Dans ce régime nous espérons de vérifier le concept récent de Isolateur Topologique d'Anderson, une état quantique exotique caractérisée par valeurs de conductivité discrètes prévus dans un métal désordonnée à forte interaction spin-orbite. Le troisième objective de projet est fabrication par implantation ionique (protons) des structures p-n-p ou n-p-n sous la surface des TI. Ces structures sont le prototype de dispositif spintronique ajustable, ouvrant la perspective des applications nouvelles. Le projet est basée sur une collaboration internationale entre deux équipes CNRS hébergées par l'Ecole Polytechnique et par l'Université d'Orsay et une consortium coordonnée par City College de New York (CUNY) incluant les chercheurs de Université de Columbia et centre de Recherche IBM Yorktown Heights. La synergie des compétences des équipes françaises en matière de l'irradiation des matériaux et ARPES avec l'expertise dans la matière de croissance de matériaux et mesures de transport électronique de l'équipe américaine.