Étude de compressibilité électronique AC des isolants topologiques 3D HgTe et Bi2Se3 aux forts champs électriques : Évidences d’états excités massifs de surfac
Andreas Inhofer (LPA)

Dans cette thèse, j’étudie la compressibilité électronique de deux isolants topologiques tridimensionnels :
Le tellurure de mercure (HgTe) sous contrainte et le séléniure de bismuth (Bi2Se3).
Je présente des mesures d’admittance électronique à basse température résolues en phase sur une large gamme de fréquence.
Cela permet d’extraire la capacité quantique associé à la densité d’états et la résistivité des matériaux étudiés.
Je montre qu’un isolant topologique intrinsèque présente une réponse dominée par les états de surface topologiques sur une
large gamme d’énergie qui s’étend au-delà du gap de transport du matériau massif.
Ce régime, appelé « écrantage de Dirac », est caractérisé par une compressibilité électronique proportionnelle à l’énergie de surface et une haute mobilité.
Dans la suite, je m’intéresse à la limite de ce régime. J’observe qu’à haute énergie et sous l’influence de forts champs électriques perpendiculaires,
des états excités massifs de surface sont peuplés ce qui se manifeste expérimentalement de différentes façons :
Une chute dans la constante de diffusion électronique, un pic de conductivité ainsi que l’apparition d’un deuxième type de porteurs en magnéto-transport et de métastabilité dans la relation charge-tension.
Un modèle théorique basé sur un traitement quasi-relativiste du Hamiltonien de surface est présenté.
Il permet d’identifier la dépendance en énergie et champ électrique des états massifs de surface.
Cette thèse est complémenté par des résultats expérimentaux sur Bi2Se3 obtenu par croissance sur nitrure de bore
mettant en évidence l’importance de la pureté des interfaces d’isolants topologiques