Les ondes THz : un outils pour une nouvelle physique

La spectroscopie TéraHertz permet de sonder la matière et d’y étudier ces phénomènes physiques d’un grand intérêt pour la science fondamentale.

Dans la plateforme nous appliquons cette spectroscopie à l’étude de matériaux présentant des propriétés insolites, porteuses de nombreuses applications potentielles, tels que le graphène ou les « isolants topologiques », les « semi-métaux de Dirac »… Les matériaux étudiés, par exemple, sont le HgCdTe, les super-réseaux InAs/GaSb, ou les nano-fils semiconducteurs.

Les ondes Terahertz sont composées de photons de très basses énergies. Cette gamme d’énergie correspond à un grand nombre d’excitations dans les solides, tels que les phonons, les plasmons, les magnons, ainsi que les transitions de spin ou les transitions entre niveaux de Landau. La spectroscopie Térahertz permet donc de sonder efficacement la matière et y étudier ces phénomènes physiques d’un grand intérêt pour la science fondamentale.

Lorsqu’un champ magnétique quantifiant est appliqué à un cristal, il sépare les bandes de valence et de conduction en niveau de Landau. L’énergie de ces niveaux et proportionnelle au champ magnétique appliqué lorsque le système possède une structure de bande parabolique telle que dans les semi-conducteurs. Par contre, cette énergie des niveaux de Landau et proportionnelle à la racine carré du champ magnétique appliqué quand le système n’a pas de gap, comme dans le graphene, la surface des isolants topologiques ou dans les semi-métaux de Dirac en trois dimensions. Les expériences de spectroscopie par magnéto-absorption dans la gamme THz permettent donc de mesurer précisément le gap ou la masse des électrons de ces matériaux. Ces expériences sont d’un grand intérêt en ce qui concerne l’étude des transitions de phases topologiques dans des matériaux comme le HgCdTe ou l’InAs/GaSb. En effet, nous avons par exemple dernièrement pu contrôler continument la masse des électrons dans un même cristal, jusqu’à l’annuler, en changeant sa température. Cette découverte permet de sonder les abords d’une transition de phase topologique, durant laquelle les électrons se comportent comme des particules élémentaires relativistes ayant une vitesse constante et universelle.

Ces paramètres ont été mesurés par les chercheurs de la plateforme Terahertz Occitanie grâce à un dispositif expérimental unique de spectroscopie par magnéto-absorption, permettant la mesure en fonction de la température et du champ magnétique, de transitions optiques à très basses énergies, dans la gamme de fréquences THz. Ces résultats laissent à la fois entrevoir des applications en optoélectronique THz et de nouvelles études des isolants topologiques.

 

 

Highlights

Published in Nature Communications 7, 12576 (2016) doi:10.1038/ncomms12576

    Published in Nature Communications 7, 12576 (2016) doi:10.1038/ncomms12576

Published in Nature Communications 7, 12576 (2016) doi:10.1038/ncomms12576

  • 01/08/2016 : Frédéric Teppe donnera un Keynote à la 41st International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves  (IRMMW-THz 2016).