Thèse en cours

Préparation et mesure des états de vallées de spin à l'échelle nanométrique en utilisant des électrons rapides et des photons
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Auteur / Autrice : Jassem Baaboura
Direction : Luiz Galvao tizei
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Physique
Date : Inscription en doctorat le 01/05/2021
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Solides
référent : Faculté des sciences d'Orsay

Résumé

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Les structures de faible dimension confinées dans l'espace, telles que les points quantiques (0D), les nanofils (1D), les monocouches atomiques (2D) et les interfaces (2D), sont fascinantes du point de vue technologique et fondamental. Leur intérêt général découle de la possibilité de manipuler les propriétés physiques en en modifiant les dimensions ou la dimensionnalité. Les applications réussies de ces objets reposent souvent sur la création, la manipulation et la caractérisation contrôlées d'excitations optiques. Celles-ci peuvent être utilisées pour transporter des informations, comme les charges et les spins sont utilisés en électronique et en spintronique. Parmi les nombreux candidats possibles, les excitations de vallée dans les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) ont été considérées comme des porteurs d'informations prometteurs. Récemment, des efforts considérables ont été consacrés au contrôle des excitations de vallée de spin dans les TMD. Les dichalcogénures de métaux de transition à structure crystalline hexagonale 2H ont suscité un intérêt depuis la démonstration que le MoS2 présente une bande d'énergie interdite directe de 1,88 eV lorsqu'il est exfolié en une monocouche atomique mince, au lieu de la bande d'énergie interdite indirecte pour le MoS2 en bulk. Les expériences et la théorie ont montré que cela est vrai pour de nombreuses TMD. Ces monocouches sont non centrosymétriques, ce qui donne lieu à deux vallées distinctes dans leur structure de bande (K, K'). En plus du degré de liberté supplémentaire des vallées, les TMD proches des états de bord de bande sont formées par des d-orbitales de métaux de transition, ce qui entraîne un fort couplage spin-orbite ainsi que des bandes de valence (50-500 meV) et de conduction (3-50 meV) splitées en energie. Il est intéressant de noter que la répartition de l'énergie change de signe entre K et K', ce qui entraîne des excitations d'énergie plus faibles à chaque point étant respectivement le spin-up ou le spin-down. Comme l'énergie et les indices de spin-vallées sont de bons nombres quantiques (ils sont conservés en fonction du temps, avant que la décohérence ne prenne le dessus), ils peuvent être utilisés pour coder des informations. De plus, ces excitations peuvent être créées dans une superposition quantique d'états, offrant ainsi une voie possible pour la mise en œuvre de l'informatique quantique universelle. Les vallées peuvent être peuplées de manière sélective avec des photons polarisés circulairement, ce qui conduit à la création contrôlable d'excitations polarisées de spin. En effet, des expériences pomp-sonde optiques ont montré que l'absorption d'un faisceau de sonde laser polarisé circulairement dépend de la polarisation du faisceau de pompage qui crée les excitations. Ces excitations sont polarisées en spin, comme le montre l'effet Zeeman dans les expériences d'optique. Dans l'ensemble, ces effets ont été étudiés au cours des dernières années par différents groupes utilisant des techniques entièrement optiques. Cependant, des questions très débattues, intrinsèquement liées à l'échelle nanométrique voir subnanomètrique, restent ouvertes sur la physique de ces excitations. Quel est le rôle des défauts ponctuels et étendus dans la décroissance de l'excitation? Une autre question qui reste ouverte est de savoir si nous pouvons utiliser des faisceaux d'électrons et de photons pour manipuler ces excitations. Si cela est possible, l'interaction entre une seule ou quelques excitons et un électron sera étudiée. Par exemple, l'état final de l'électron après interaction peut-il définir de manière unique l'état d'un exciton dans l'échantillon? Dans cette thèse, l'étudiant explorera ces questions, en introduisant une combinaison de techniques d'électron et de photon au sein d'un microscope électronique de pointe doté d'une instrumentation unique. En effet, des études préliminaires et publiées montrent que la signature optique peut être obtenue à partir de la spectroscopie électronique comme la spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) et la cathodoluminescence (CL). La partie cruciale du travail sera la mise en œuvre, avec l'aide d'une équipe locale d'ingénieurs, d'expériences à résolution temporelle pour permettre la spectroscopie hors équilibre des TMD. Après démonstration, on tentera de contrôler les excitations créées. Ce projet de thèse reprend les principaux objectifs du projet ANR JCJC SpinE (ANR-20-CE42-0020) qui le finance.