Le THz et la Physique

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  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.

Suppressed Auger scattering and tunable light emission of Landau-quantized massless Kane electrons

Cyclotron emission spectra measured on a gapless HgCdTe sample kept in liquid helium at selected values of the magnetic field		Experimentally deduced maxima of emission compared with theoretically expected cyclotron modes . The LL spectrum with schematically depicted emission lines (red arrows) is shown in the inset.

We have demonstrated cyclotron emission of massless electrons. This emission was observed in gapless HgCdTe – a system hosting 3D massless Kane electrons. The existence of sizeable cyclotron emission is directly related to the particular LL spectrum, which comprises only non-equidistantly spaced levels. Systems hosting massless Kane electrons are thus promising candidates for the active medium of a LL laser, which would, in this particular case, operate in the THz and infrared spectral ranges and would be widely tunable by very low magnetic fields.

D. B. But , M. Mittendorff , C. Consejo, F. Teppe, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretskii, C. Faugeras , S. Winnerl, M. Helm, W. Knap, M. Potemski  and M. Orlita
Suppressed Auger scattering and tunable light emission of Landau-quantized massless Kane electrons, Nature Photonics volume 13, pages 783–787(2019)