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Sonder la texture de spin d’un isolant topologique : une approche par dichroïsme circulaire de la photoémission résolue en angle

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Les isolants topologiques sont des composés découverts récemment qui présentent des propriétés électroniques singulières : isolants en volume, conducteurs en surface [1]. L’état de surface responsable de cette conduction est caractérisé par une dispersion linéaire au centre de la zone de Brillouin (cône de Dirac) et une hélicité : le spin et l’impulsion sont perpendiculaires dans le plan de la surface. Le dichroïsme circulaire de la photoémission résolue en angle a récemment été proposé comme technique permettant de sonder directement cette texture de spin particulière [2] [3] . C’est cette technique que les chercheurs de l’équipe « Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces » de l’INSP ont choisie pour étudier des couches minces épitaxiales de Bi2Se3.

Bi2Se3 est, avec le composé parent Bi2Te3, un des isolants topologiques les plus étudiés. La croissance par épitaxie par jets moléculaires de ce composé lamellaire sur GaAs(111) permet d’obtenir des échantillons de très bonne qualité structurale et de contrôler l’épaisseur au feuillet près. Ainsi, il est possible d’étudier la structure électronique du système en fonction de son épaisseur. Les mesures de dichroïsme circulaire de la photoémission résolue en angle ont été réalisées au synchrotron Elettra sur la ligne de lumière APE. Le principe de ces mesures est décrit sur la figure 1 : il s’agit de mesurer la dispersion du cône de Dirac en polarisation circulaire droite et gauche, le signal dichroïque étant égal à la différence entre les deux.

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Schéma du cône de Dirac de l’état de surface topologique de Bi2Se3, les flèches rouges symbolisent la texture de spin. Géométrie expérimentale utilisée pour les études du dichroïsme de la photoémission résolue en angle. Dispersion du cône de Dirac de Bi2Se3,mesurée en polarisation linéaire, circulaires (gauche et droite) et dichroïsme (CD) pour une couche d’épaisseur 50 feuillets. Figure adaptée de Physical Review B 88, 241410(R) (2013).

L’inversion du dichroïsme sur les branches du cône au-dessus et en dessous du point Dirac autour du centre de la zone a été interprétée comme une signature de la texture de spin particulière de l’état de surface, dans les premières études faites à énergie de photon fixe.

Les mesures effectuées sur la ligne APE permettent de rediscuter cette connexion simple. En effet, en variant l’énergie des photons incidents, on observe clairement des inversions du dichroïsme qui peut même s’annuler, comme le montre la figure 2. Pourtant la texture de spin n’a pas disparu.

JPEG Figure 2
Evolution du dichroïsme circulaire en fonction de l’énergie des photons incidents.

Ces résultats montrent qu’une modélisation du processus de photoémission incluant une description fine de l’état initial [4] et des d’états finaux [5] impliqués est nécessaire afin de relier de façon non ambiguë le dichroïsme circulaire à la texture de spin de l’état de surface topologique et d’expliquer sa dépendance à l’énergie des photons incidents.

Que se passe-t-il si la texture de spin est altérée ? Le dichroïsme disparaît-il ? Là encore, la situation n’est pas simple. Le contrôle précis de la croissance par épitaxie par jets moléculaires a permis d’étudier des échantillons épais de 3 feuillets (environ 3 nm) de Bi2Se3, épaisseur pour laquelle l’état topologique est fortement perturbé par le couplage par effet tunnel entre les deux interfaces du film. Théoriquement cela devrait altérer drastiquement la texture en spin. Cependant, expérimentalement, on observe toujours un fort signal dichroïque dans ces couches ultraminces, comme le montre la figure 3.

JPEG Figure 3
Schéma de la texture de spin pour une couche ultramince avec ouverture du gap. Dispersion mesurée en lumière polarisée circulairement : l’intensité de photoémission est renforcée pour les k positifs et les énergies de liaison comprises entre 0 et 0,4 eV.

Globalement, les résultats obtenus montrent qu’il est délicat d’utiliser le signal de dichroïsme pour sonder la texture de spin des isolants topologiques sans étudier précisément sa dépendance en énergie.

Ces travaux ont bénéficié du soutien financier de l’ANR (ANR-2011-BS04-0019).

[1] M. Z. Hasan and C. L. Kane, Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010).

[2] Y. H. Wang, D. Hsieh, D. Pilon, L. Fu, D. R. Gardner, Y. S. Lee, and N. Gedik, Phys. Rev. Lett. 107, 207602 (2011).

[3] S. R. Park, J. Han, C. Kim, Y. Y. Koh, C. Kim, H. Lee, H. J. Choi, J. H. Han, K.D. Lee, N. J. Hur, M. Arita, K. Shimada, H. Namatame, and M. Taniguchi, Phys. Rev. Lett. 108, 046805 (2012).

[4] Z.-H. Zhu, C. N. Veenstra, S. Zhdanovich, M. P. Schneider, T. Okuda, K. Miyamoto, S.-Y. Zhu, H. Namatame, M. Taniguchi, M.W. Haverkort, I. S. Elfimov, and A. Damascelli, Phys. Rev. Lett. 112, 076802 (2014).

[5] M. R. Scholz, J. Sánchez-Barriga, J. Braun, D. Marchenko, A. Varykhalov, M. Lindroos, Yung Jui Wang, Hsin Lin, A. Bansil, J. Minár

Référence
« Photon energy dependence of circular dichroism in angle-resolved photoemission spectroscopy of Bi2Se3 Dirac states »
F. Vidal, M. Eddrief, B. Rache Salles, I. Vobornik, E. Velez-Fort, G. Panaccione, and M. Marangolo
Physical Review B 88, 241410(R) (2013)

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