Infrared magneto-spectroscopy of relativistic-like electrons in three-dimensional solids

L'utilisation de l'equation de Dirac/Weyl conduit a une simplification conceptuelle dans une description de la structure de la bande dans les solides a faible echelle d'energie. En particulier, les excitations d'electrons-trous peuvent etre considerees comme analogues au cas relativiste tel que conductivite optique lineaire, le suppression de backscattering ou la manifestation des arcs de Fermi et la chiralite des particules. En outre, la phase semi-metallique est egalement un element crucial pour la classification des materiaux. La taille de le gap est affectee qualitativement par le type de dispersion d'energie par un croisement continu des bandes lineaires a paraboliques. Cela peut etre compris comme une limite classique ou ultra-relativiste du mouvement d'une particule massive.La spectroscopie infrarouge de la transformation de Fourier est une technique unique pour etudier les excitations optiques dans une large gamme d'energies et represente en combinaison avec le champ magnetique eleve un outil puissant pour sondage de la structure electronique et surmonte le principal obstacle des systemes sans gap qui est un dopage fort en raison de desordre structurel.La premiere partie du travail est consacree a l'arseniure de cadmium, ou nous elaborons une approche de distinction qualitative entre les systemes Dirac et Kane qui ont ete utilises pour prouver sur la base de la reponse magneto-optique observee la realisation du modele Kane presque sans gap avec une similitude frappante avec HgCdTe, en contradiction avec l'existence de cones purement Dirac. La magneto-reflectivite dans un champ magnetique a champ eleve la resonance cyclotron caracteristiques par un radical-B dependance avec un comportement particulier dans la limite quantique. En revanche, la magneto-transmission montrait des transitions de niveau Landau qui doit etre interpretees que comme un type plat-a-cone afin de preserver une coherence totale du modele. Les cones de Dirac predits par la theorie sont susceptibles de coexister dans le modele de Kane sous la forme d'une sous-structure decrite par le modele de Bodnar qui se rapproche de la structure cristalline complexe par une simple cellule antifluorite qui permet d'utiliser la theorie du k.p classique.Dans la deuxieme partie, nous nous concentrons sur le bismuth comme isolant topologique 3D archetype. Nous etudions une condition particuliere obeie pour le BHZ-hamiltonien qui apporte des proprietes intriguantes comme une relation inhabituelle de spin gap et la resonance du cyclotron, l'epinglage specifique entre les fancharts des sous-groupes Landau ou les g-facteurs compenses dans les bandes de conduction et de valence. Les mesures de photoluminescence ont montre une emission directgap, ce qui donne un nouvel apercu de la structure largement acceptee a partir des donnees ARPES, ou la “chameau structure” de la bande de valence doit etre expliquee dans le confinement de surface et le point de Dirac de l'etat de surface doit etre repositionne par rapport aux bandes en bulk. La reponse magneto-optique peut etre pleinement expliquee dans une image classique du paramagnetisme de Pauli comme un simple effet d'occupation. Un tel comportement se manifeste dans la transmission en tant que fractionnement progressif du bord d'absorption interbande avec une saturation successive due a la polarisation spin partielle ou totale des electrons. Le dichroisme relatif entraine egalement une forte rotation de Faraday lineaire decrite par un modele simple de la constante Verdet qui ne depend pas sur le niveau de Fermi.