Etude du couplage électron-phonon-spin par optique ultra

O1
JMC15
Etude du couplage électron-phonon-spin par optique ultra-rapide dans les
isolants topologiques Bi2Te3
M. Weis(1,2), K. Balin(1), R. Rapacz(1), A. Nowak(1), A. Bulou(2), G. Vaudel(2), J.
Szade(1), P. Ruello(2)
(1) A. Chelkowski Institute of Physics and Silesian Center for Education and Interdisciplinary Research,
75 Pulku Piechoty 1A, 41-500 Chorzow, University of Silesia, Poland
(2) Institut des Molécules et Matériaux du Mans, UMR CNRS 6283, Université du Maine, 72085 Le
Mans, France.
)*+$,-#$
+"'+.%/.($
44)$#/>6*."0($
02:;3B0.$
:;$2/%'<$=6*.<3$
Les isolants topologiques sont des matériaux présentant de nouveaux états quantiques. En raison
notamment d’un fort couplage spin-orbite ces matériaux peuvent être à la fois semiconducteurs
dans le volume et métallique en surface. Cet état offre des perspectives intéressantes en
spintronique. Malgré la robustesse « topologique » des états électroniques face au processus de
rétro-diffusion1, il a été mis en évidence que le couplage « traditionnel » électron-phonon
demeurait fort dans ces systèmes2. Aussi, il est désormais nécessaire de mesurer et d’analyser le
couplage électron-phonon-spin dans ces isolants topologiques. Pour cela nous avons entrepris
une étude par optique ultra-rapide de la dynamique de relaxation d’électrons (spin) chauds
permettant de remonter au couplage électron-phonon-spin.
0
Le principe de la mesure repose sur un montage
!%&'($
2/3$
0.005
A$
ï1.0
0.000
pompe-sonde où un faisceau laser (pompe) vient
!"#!$
0
@$
ï0.005
ï2.0
mettre hors équilibre un gaz d’électrons. Ce
ï0.010
ï1.0
?$
ï0.015
ï3.0
dernier relaxe via une thermalisation avec le
ï2.0
ï0.020
ï0.025
30 35 40
ï20
ï10 5
0 15 10 20 20
ï3.0
réseau phononique. L’emploi d’un second laser
ï5
0
10
30
40
)*#($0(-/1$2!+3$25
1.5
30
ï20
ï10
0
10
20
40
2.0
(sonde), retardé dans le temps par rapport à
1.5
2'3$
1.0
?$
0
l’excitation, permet de suivre cette dynamique de
00
@$
relaxation et d’estimer ce temps de couplage.
ï1.0
A$
ï1.5
Comme nous le verrons, la mise hors équilibre du
ï1.5
5.0
0.0
0 0.52 1.04 1.56 2.0 8 2.5103.0 123.5 144.0 164.5 18
gaz électronique conduit également à la génération
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
15.0eï060.0 0.5 1.0 1.5 2.0
)*#($0(-/1$2!+3$
4.5eï06
1
de phonons optiques dont les propriétés
4.0eï06
273$
A$
3.5eï06
3.0eï06
@$
0.5
renseignent localement sur la dynamique de
2.5eï06
0.5
2.0eï06
?$
1.5eï06
réseau3. Dans cette communication, nous
1.0eï06
5.0eï07
00.0e+00
0 0.5
1.0
1.2 1.0 1.4
1.6
1.8 2.0 2.0
2.2
2.4 3.02.6
2.8
présenterons des mesures réalisées sur des films
3.5
2.5
1.5
0.5
3.5
1.0
3.0
2.5
1.5
2.0
4%(5"(671$2)893$
Bi2Te3
obtenus
par
croissance
épitaxiale
(épaisseur d’une dizaine de nanomètres). Figure 1 : (a) transient optical reflectivity with the A1g(I)
optical phonon signature (b) obtained for variable BT
Différents régimes du couplage électron-phonon- nanostructures (A-B-C). (c) Fast Fourier Transform of signal
spin seront discutés selon les nanostrustures given in (b) [3].
considérées.
1
2
M.Z. Hazan, C. L. Kane, Rev. Mod. Phys., Vol. 82, No. 4, October–December 2010 M. V. Costache, I. Neumann, J. F. Sierra, V. Marinova, M. M. Gospodinov, S. Roche, S. O. Valenzuela, Phys. Rev. Lett. 112, 086601
(2014).
3
M. Weis, K. Balin, R. Rapacz, A. Nowak, M. Lejman, J. Szade, and P. Ruello, Phys. Rev. B 92 , 014301 (2015)