GRANDE CONFÉRENCE LES MATÉRIAUX QUANTIQUES TOPOLOGIQUES SUR LES MATÉRIAUX DE POINTE

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1 GRANDE CONFÉRENCE SUR LES MATÉRIAUX DE POINTE LES MATÉRIAUX QUANTIQUES TOPOLOGIQUES VENDREDI, LE 15 NOVEMBRE 2013 CENTRE CULTUREL, FOYER MONT-BELLEVUE UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE 2500 BOUL. DE L UNIVERSITÉ, SHERBROOKE

2 HORAIRE Balcon du Foyer Mont-Bellevue 9h00 10h00 Accueil Mot du directeur, Louis Taillefer 10h10 10h20-10h40 10h50-11h10 11h20-11h50 11h50-12h10 12h20-14h00 Modérateur, André-Marie Tremblay Andrea Bianchi, Département de physique, Université de Montréal «Is GdBiPt an antiferromagnetic topological insulator?» Ion Garate, Département de physique, Université de Sherbrooke «Phonon-induced topological thermal crossovers» Pause Tami Pereg-Barnea, Département de physique, Université McGill «The quest for a topological superconductor and Majorana fermions» Dîner - Parterre du Foyer Mont-Bellevue Balcon du Foyer Mont-Bellevue 14h00-15h00 Introduction par André-Marie Tremblay GRANDE CONFÉRENCE DU QUÉBEC SUR LES MATÉRIAUX DE POINTE David Hsieh, California Institute of Technology, Pasadena, California «Topological Insulators and Beyond» 15h20 15h30 16h00 17h00 Mot de la fin, Louis Taillefer Rencontre entre David Hsieh et les étudiants du RQMP Visite des laboratoires Fin la journée et retour vers Montréal 2

3 CONFÉRENCES Is GdBiPt an antiferromagnetic topological insulator? Andrea Bianchi, Département de physique, Université de Montréal Le concept d un isolant topologique antiferromagnétique (AFTI) est le principal sujet de cette présentation. Les «isolants topologiques conventionnels (TI)» sont définis par une invariance topologique reliée à la structure de bandes de sorte qu ils sont distincts des «isolants» et «métaux» conventionnels. En particulier, la symétrie de l inversion du temps est préservée dans ce type de systèmes. Par ailleurs, l ordre antiferromagnétique est un état ordonné qui résulte d une brisure de symétrie de translation, mais qui implique aussi une brisure de la symétrie de l inversion du temps. En 2010, Mong et collaborateurs ont proposé un mécanisme qui permet un état avec un ordre topologique non trivial dans lequel l état antiferromagnétique peut coexister. De plus, c est l ordre antiferromagnétique qui induit l ordre topologique, comme les moments ordonnés induisent un couplage entre le spin et l orbite des électrons dans la bande de conduction et cet effet n est pas présent dans l état paramagnétique du matériel. Je présenterai un survol des expériences sur le GdBiPt, un composé qui cristallise dans la structure «demi-heusler» et qui vient d être proposé comme structure modèle pour les AFTI. J exposerai aussi les résultats obtenus par spectroscopie de photoémission résolue en angle, et la diffusion inélastique des rayons X. Je conclurai en présentant nos récents résultats de la diffusion magnétique des neutrons qui démontrent que le GdBiPt est vraiment un candidat pour l état ATFI. Is GdBiPt an antiferromagnetic topological insulator? I will start by introducing the concept of an antiferromagnetic topological insulator (AFTI). Conventional topological insulators (TI) are characterised by a topological invariant related to the bandstructure which differentiates them from conventional insulators and metals. In particular, the time-reversal symmetry is present in a TI. Antiferromagnetism on the other hand is a broken symmetry state in which the translation symmetry is reduced, and time reversal symmetry is broken. In 2010, Mong and co-workers proposed a mechanism which allows the two states to co-exist in the same material. Moreover, it is possible that the onset of antiferromagnetism enables the non-trivial topology since it may create spin-orbit coupling effects which are absent in the non-magnetic phase. I will review experimental results obtained for GdBiPt, which is part the family of half-heusler compounds proposed as possible candidates for AFTI, starting with angular resolved photoemission spectroscopy, and resonant inelastic X-ray scattering. I will conclude by presenting our recent powder neutron diffraction results which show that GdBiPt is a good candidate material for an AFTI. 3

4 CONFÉRENCES Phonon-induced topological thermal crossovers Ion Garate, Département de physique, Université de Sherbrooke Nous montrons que les interactions électron-phonon peuvent modifier les propriétés topologiques des isolants de Dirac, à la fois à la température zéro ainsi qu aux autres températures. Contrairement à ce que l on pourrait croire, c'est-à-dire que la température qui augmente déstabilise toujours les phases topologiques, nos résultats mettent en évidence des cas où les phonons peuvent conduire à l'apparition d'états de surface topologiques au-dessus d'une température de transition dans un matériau qui a un état fondamental topologiquement trivial. Phonon-induced topological thermal crossovers We show that electron-phonon interactions can alter the topological properties of Dirac insulators and semimetals, both at zero and nonzero temperature. Contrary to the common belief that increasing temperature always destabilizes topological phases, our results highlight instances in which phonons may lead to the appearance of topological surface states above a crossover temperature in a material that has a topologically trivial ground state. 4

5 GRANDE CONFÉRENCE SUR LES MATÉRIAUX DE POINTE The quest for a topological superconductor and Majorana fermions Tami Pereg-Barnea, Département de physique, Université McGill Les fermions de Majorana sont des solutions réelles à l'équation de Dirac qui ont été trouvés théoriquement il ya plus de 70 ans. Comme ils sont réels, ils sont leurs propres antiparticules et satisfont à des statistiques non abéliennes qui pourraient être utiles pour les calculs quantiques. À ce jour, aucun fermion de Majorana n a été découvert parmi les particules élémentaires, tandis que le neutrino est le seul candidat possible. Contrairement aux particules élémentaires, en physique de la matière condensée, les propriétés des excitations collectives peuvent différer considérablement de celles des particules de départ (électrons, atomes). Il est donc possible qu un système condensé puisse correspondre à un fermion de Majorana. En fait, il a été démontré théoriquement que les fermions de Majorana peuvent exister comme état lié à mi-gap dans les supraconducteurs topologiques. Dans cet exposé, je vais vous donner un «cours pour les nuls» sur la supraconductivité topologique et les fermions de Majorana. Je vais discuter des dernières propositions pour réaliser la supraconductivité topologique et le piégeage de fermions de Majorana. En particulier, je vais discuter de la façon dont le couplage entre les interactions électron-électron et spin-orbite peuvent conduire à des phénomènes intéressants y compris la supraconductivité topologique. The quest for a topological superconductor and Majorana fermions Majorana fermions are real solutions to the Dirac equation which were found theoretically more than 70 years ago. Being real they serve as their own antiparticles and exhibit interesting, non-abelian statistics which may be useful for quantum computations. To this date, no elementary particle has been shown to be a Majorana fermion while the Neutrino is the only possible candidate. In contrast with elementary particles, in condensed matter the properties of collective excitations may differ dramatically from those of the starting particles (electrons, atoms). It is therefore possible that a condensed matter system support a Majorana fermion. In fact, it has been shown theoretically that Majorana fermions may exist as a mid-gap bound state in topological superconductors. In this talk I will provide a 'down to earth' discussion of topological superconductivity and Majorana fermions. I will discuss recent proposals for realizing topological superconductivity and trapping Majorana fermions. In particular, I will discuss how the interplay between electron-electron interactions and spin-orbit coupling may lead to interesting phenomena, including topological superconductivity. 5

6 CONFÉRENCES Topological Insulators and Beyond David Hsieh, Département de physique, California Institute of Technology Au cours des dernières années, les isolants topologiques sont devenus un sujet d'intenses recherches en physique de la matière condensée. L'intérêt pour ces matériaux provient non seulement du fait qu'il s'agit fondamentalement d une nouvelle phase de la matière dans sa limite quantique, mais aussi parce qu'ils sont prometteurs pour de nouvelles applications technologiques allant de l'électronique de spin de faible puissance aux ordinateurs quantiques tolérants aux pannes. Dans cette présentation, je décrirai les travaux théoriques et expérimentaux précurseurs établissant l'existence des isolants topologiques. En particulier, je mettrai l accent sur le rôle que la spectroscopie de photoémission de spin et résolue en angle ont joué dans la découverte des isolants topologiques dans les cristaux en trois dimensions. Enfin, je vais discuter de quelques unes des nouvelles variétés intéressantes de la matière topologique qui ont été plus récemment proposées et vous décrire des expériences en cours sur comment les rechercher. Topological Insulators and Beyond Over the past several years, topological insulators have become an intensively researched topic in condensed matter physics. Interest in these materials stems not only from their being a fundamentally new phase of quantum matter, but also because they hold promise for novel technological applications ranging from low power spin-based electronics to fault-tolerant quantum computers. In this talk, I will describe the early theoretical and experimental works that established the existence of topological insulators. In particular, I will focus on the role that spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy played in the discovery of topological insulators in three-dimensional bulk crystals. Finally I will discuss some of the exciting new varieties of topological matter that have more recently been proposed and describe experiments underway to search for them. 6

7 NOTICE BIOGRAPHIQUE David Hsieh a reçu son baccalauréat de Stanford en 2003 et son doctorat de Princeton en Il a été boursier postdoctoral Pappalardo au MIT entre 2009 et 2012 et a rejoint le California Institute of Technology en tant que professeur adjoint de physique à l'automne David Hsieh est un expérimentateur en physique de la matière condensée. Ses recherches portent sur le développement de techniques de spectroscopie optique et électronique pour étudier les phases topologiques ainsi que les phases fortement corrélées dans les solides. David Hsieh received his B.S. degree from Stanford in 2003 and his Ph.D. from Princeton in He was a Pappalardo Postdoctoral Fellow at MIT between 2009 and 2012 and joined the Caltech faculty as an Assistant Professor of Physics in the Fall of David Hsieh is a condensed matter experimentalist. His research focuses on developing laser-based optical and electron spectroscopy techniques to investigate topological and strongly-correlated phases in bulk solids. 7