Topological order in a broken-symmetry state

À travers cette thèse, nous revisitons les différentes étapes qui ont conduit à la découverte des isolants topologiques, suite à quoi nous nous penchons sur la question à savoir si une phase topologiquement non-triviale peut coexister avec un état de symétrie brisée. Nous abordons les concepts les plus importants dans la description de ce nouvel état de la matière, et tentons de comprendre les conséquences fascinantes qui en découlent. Il s’agit d’un champ de recherche fortement alimenté par la théorie, ainsi, l’étude du cadre théorique est nécessaire pour atteindre une compréhension profonde du sujet. Le chapitre 1 comprend un retour sur l’effet de Hall quantique, afin de motiver les sections subséquentes. Le chapitre 2 présente la première réalisation d’un isolant topologique à deux dimensions dans un puits quantique de HgTe/CdTe, suite à quoi ces résultats sont généralisés à trois dimensions. Nous verrons ensuite comment incorporer des principes de topologie dans la caractérisation d’un système spécifique, à l’aide d’invariants topologiques. Le chapitre 3 introduit le premier dérivé de l’état isolant topologique, soit l’isolant topologique antiferromagnétique (ITAF). Après avoir motivé théoriquement le sujet et introduit un invariant propre à ce nouvel état ITAF, qui est couplé à l’ordre de Néel, nous explorons, dans les chapitres 4 et 5, deux candidats de choix pour la phase ITAF : GdBiPt et NdBiPt.

Désintégration du faux vide médiée par des kinks en 1+1 dimensions

Dans ce mémoire, on étudie la désintégration d’un faux vide, c’est-à-dire un vide qui est un minimum relatif d’un potentiel scalaire par effet tunnel. Des défauts topologiques en 1+1 dimension, appelés kinks, apparaissent lorsque le potentiel possède un minimum qui brise spontanément une symétrie discrète. En 3+1 dimensions, ces kinks deviennent des murs de domaine. Ils apparaissent par exemple dans les matériaux magnétiques en matière condensée. Un modèle à deux champs scalaires couplés sera étudié ainsi que les solutions aux équations du mouvement qui en découlent. Ce faisant, on analysera comment l’existence et l’énergie des solutions statiques dépend des paramètres du modèle. Un balayage numérique de l’espace des paramètres révèle que les solutions stables se trouvent entre les zones de dissociation, des régions dans l’espace des paramètres où les solutions stables n’existent plus. Le comportement des solutions instables dans les zones de dissociation peut être très différent selon la zone de dissociation dans laquelle une solution se trouve. Le potentiel consiste, dans un premier temps, en un polynôme d’ordre six, auquel on y rajoute, dans un deuxième temps, un polynôme quartique multiplié par un terme de couplage, et est choisi tel que les extrémités du kink soient à des faux vides distincts. Le taux de désintégration a été estimé par une approximation semi-classique pour montrer l’impact des défauts topologiques sur la stabilité du faux vide. Le projet consiste à déterminer les conditions qui permettent aux kinks de catalyser la désintégration du faux vide. Il appert qu’on a trouvé une expression pour déterminer la densité critique de kinks et qu’on comprend ce qui se passe avec la plupart des termes.

Effets des recuits ultra-rapides (10^5 K/s) sur la formation des siliciures métalliques en phase solide

La synthèse de siliciures métalliques sous la forme de films ultra-minces demeure un enjeu majeur en technologie CMOS. Le contrôle du budget thermique, afin de limiter la diffusion des dopants, est essentiel. Des techniques de recuit ultra-rapide sont alors couramment utilisées. Dans ce contexte, la technique de nanocalorimétrie est employée afin d'étudier, in situ, la formation en phase solide des siliciures de Ni à des taux de chauffage aussi élevés que 10^5 K/s. Des films de Ni, compris entre 9.3 et 0.3 nm sont déposés sur des calorimètres avec un substrat de a-Si ou de Si(100). Des mesures de diffraction de rayons X, balayées en température à 3 K/s, permettent de comparer les séquences de phase obtenues à bas taux de chauffage sur des échantillons de contrôle et à ultra-haut taux de chauffage sur les calorimètres. En premier lieu, il est apparu que l'emploi de calorimètres de type c-NC, munis d'une couche de 340 nm de Si(100), présente un défi majeur : un signal endothermique anormal vient fausser la mesure à haute température. Des micro-défauts au sein de la membrane de SiNx créent des courts-circuits entre la bande chauffante de Pt du calorimètre et l'échantillon métallique. Ce phénomène diminue avec l'épaisseur de l'échantillon et n'a pas d'effet en dessous de 400 °C tant que les porteurs de charge intrinsèques au Si ne sont pas activés. Il est possible de corriger la mesure de taux de chaleur en fonction de la température avec une incertitude de 12 °C. En ce qui a trait à la formation des siliciures de Ni à ultra-haut taux de chauffage, l'étude montre que la séquence de phase est modifiée. Les phases riches en m étal, Ni2Si et théta, ne sont pas détectées sur Si(100) et la cinétique de formation favorise une amorphisation en phase solide en début de réaction. Les enthalpies de formation pour les couches de Ni inférieures à 10 nm sont globalement plus élevées que dans le cas volumique, jusqu' à 66 %. De plus, les mesures calorimétriques montrent clairement un signal endothermique à haute température, témoignant de la compétition que se livrent la réaction de phase et l'agglomération de la couche. Pour les échantillons recuits a 3 K/s sur Si(100), une épaisseur critique telle que décrite par Zhang et Luo, et proche de 4 nm de Ni, est supposée. Un modèle est proposé, basé sur la difficulté de diffusion des composants entre des grains de plus en plus petits, afin d'expliquer la stabilité accrue des couches de plus en plus fines. Cette stabilité est également observée par nanocalorimétrie à travers le signal endothermique. Ce dernier se décale vers les hautes températures quand l'épaisseur du film diminue. En outre, une 2e épaisseur critique, d'environ 1 nm de Ni, est remarquée. En dessous, une seule phase semble se former au-dessus de 400 °C, supposément du NiSi2.

Ablation laser femtoseconde de verres métalliques de Cu_x Zr_(1−x) : une étude par dynamique moléculaire

L’ablation laser de verres métalliques de CuxZr1−x (x = 0.33, 0.50 et 0.67) et d’un alliage métallique cristallin de CuZr2 dans la structure C11b a été étudiée par dynamique moléculaire (DM) combinée à un modèle à deux températures (TTM). Le seuil d’ablation (Fth) a été déterminé pour chacun des 4 échantillons et s'est avéré plus bas pour les échantillons plus riches en Cu étant donné que la cohésion du Cu est plus faible que celle du Zr dans tous les échantillons. Pour x=0.33, Fth est plus bas pour le cristal que pour l’amorphe car le couplage électron-phonon est plus faible dans ce dernier, ce qui implique que l’énergie est transférée plus lentement du système électronique vers le système ionique pour le a-CuZr2 que le c-CuZr2. La vitesse de l’onde de pression créée par l’impact du laser croît avec la fluence dans l’échantillon cristallin, contrairement aux échantillons amorphes dans lesquels sa vitesse moyenne est relativement constante avec la fluence. Ceci est expliqué par le fait que le module de cisaillement croît avec la pression pour le cristal, ce qui n’est pas le cas pour les verres métalliques étudiés. Finalement, la zone affectée par la chaleur (HAZ) a été étudiée via la profondeur de fusion et les déformations plastiques. La plus faible température de fusion des échantillons amorphes implique que la profondeur de fusion est plus importante dans ceux-ci que dans l’échantillon cristallin. Dans les verres métalliques, les déformations plastiques ont été identifiées sous forme de zones de transformation par cisaillement (STZ) qui diffusent et fusionnent à plus haute fluence. Aucune déformation plastique importante n’a été identifiée dans le c-CuZr2 mis à part de légères déformations près du front de fusion causées par les contraintes résiduelles. Ce travail a ainsi permis d’améliorer notre compréhension de l’ablation laser sur les verres métalliques et de l’étendue des dommages qu’elle peut entraîner.

Photoacoustic evaluation of the thermal effusivity in the isotropic phase of certain comb-shaped polymers

The thermal effusivity values in the isotropic phase of certain comb-shaped polymers have been evaluated for the first time using an open photoacoustic cell configuration. The compounds investigated have siloxane and acrylate backbone and they carry mesogenic groups in their side chain. The results indicate that the polymer chain length as well as the side chain length have pronounced influence on the thermal effusivity values in liquid crystalline polymers

Comment on "Kinetics of spinodal decomposition in the ising model with vacancy diffusion"

In a recent paper [Phys. Rev. B 50, 3477 (1994)], P. Fratzl and O. Penrose present the results of the Monte Carlo simulation of the spinodal decomposition problem (phase separation) using the vacancy dynamics mechanism. They observe that the t1/3 growth regime is reached faster than when using the standard Kawasaki dynamics. In this Comment we provide a simple explanation for the phenomenon based on the role of interface diffusion, which they claim is irrelevant for the observed behavior.

Vibrational behaviour of bcc Cu-based shape memory alloys close to the martensitic transition

Experimental data from ultrasonic and inelastic neutron scattering measurements are analyzed for different families of Cu-based shape-memory alloys. It is shown that the transition occurs at a value, independent of composition and alloy family, of the ratio between the elastic constants associated with the two shears necessary to accomplish the lattice distortion from the bcc to the close-packed structure. The zone boundary frequency of the TA2[110] branch evaluated at the transition point (TM), weakly depends, for each family, on composition. A linear relationship between this frequency and the inverse of the elastic constant C', both quantities evaluated at TM, has been found, in agreement with the prediction of a Landau model proposed for martensitic transformations.

Condensation of helium in nanoscopic alkali wedges at zero temperature

We present a complete calculation of the structure of liquid 4He confined to a concave nanoscopic wedge, as a function of the opening angle of the walls. This is achieved within a finite-range density functional formalism. The results here presented, restricted to alkali metal substrates, illustrate the change in meniscus shape from rather broad to narrow wedges on weak and strong alkali adsorbers, and we relate this change to the wetting behavior of helium on the corresponding planar substrate. As the wedge angle is varied, we find a sequence of stable states that, in the case of cesium, undergo one filling and one emptying transition at large and small openings, respectively. A computationally unambiguous criterion to determine the contact angle of 4He on cesium is also proposed.

Size effects in the magneto-optical response of Co nanoparticles

A study of the magneto-optical (MO) spectral response of Co nanoparticles embedded in MgO as a function of their size and concentration in the spectral range from 1.4 to 4.3 eV is presented. The nanoparticle layers were obtained by sputtering at different deposition temperatures. Transmission electron microscopy measurements show that the nanoparticles have a complex structure which consists of a crystalline core having a hexagonal close-packed structure and an amorphous crust. Using an effective-medium approximation we have obtained the MO constants of the Co nanoparticles. These MO constants are different from those of continuous Co layers and depend on the size of the crystalline core. We associate these changes with the size effect of the intraband contribution to the MO constants, related to a reduction of the relaxation time of the electrons into the nanoparticles.

Growth, optical characterization, and laser operation of a stoichiometric crystal KYb(WO4)(2)

We present our recent achievements in the growing and optical characterization of KYb(WO4)2 (hereafter KYbW) crystals and demonstrate laser operation in this stoichiometric material. Single crystals of KYbW with optimal crystalline quality have been grown by the top-seeded-solution growth slow-cooling method. The optical anisotropy of this monoclinic crystal has been characterized, locating the tensor of the optical indicatrix and measuring the dispersion of the principal values of the refractive indices as well as the thermo-optic coefficients. Sellmeier equations have been constructed valid in the visible and near-IR spectral range. Raman scattering has been used to determine the phonon energies of KYbW and a simple physical model is applied for classification of the lattice vibration modes. Spectroscopic studies (absorption and emission measurements at room and low temperature) have been carried out in the spectral region near 1 µm characteristic for the ytterbium transition. Energy positions of the Stark sublevels of the ground and the excited state manifolds have been determined and the vibronic substructure has been identified. The intrinsic lifetime of the upper laser level has been measured taking care to suppress the effect of reabsorption and the intrinsic quantum efficiency has been estimated. Lasing has been demonstrated near 1074 nm with 41% slope efficiency at room temperature using a 0.5 mm thin plate of KYbW. This laser material holds great promise for diode pumped high-power lasers, thin disk and waveguide designs as well as for ultrashort (ps/fs) pulse laser systems.