Observation of light-induced Haldane gap in graphene

Fei Wang; Xuanxi Cai; Wanying Chen; Xiao Tang; Jinze Li; Benshu Fan; Tianshuang Sheng; Jinxi Lu; Jiansong Li; Hongyun Zhang; Pu Yu; Peizhe Tang; Wenhui Duan; Angel Rubio; Zhiyuan Sun; Shuyun Zhou

Résumé IA · arXiv: 2610.42115v1 · cond-mat.mes-hall

Observation of light-induced Haldane gap in graphene

Fei Wang, Xuanxi Cai, Wanying Chen, Xiao Tang, Jinze Li, Benshu Fan, Tianshuang Sheng, Jinxi Lu,

et 8 autres auteurs

Jiansong Li, Hongyun Zhang, Pu Yu, Peizhe Tang, Wenhui Duan, Angel Rubio, Zhiyuan Sun, Shuyun Zhou

Article original Soumis à arXiv le 30 Oct. 2026 This manuscript was submitted and sent out for review on 2026/09/24 Licence : NONEXCLUSIVE-DISTRIB 1.0 Aussi en : en

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L’essentiel

La spectroscopie résolue en temps observe dans le graphène un gap de Dirac induit uniquement par une lumière circulaire, compatible avec une masse de Haldane et une topologie de Chern.

Question

Une lumière circulaire peut-elle ouvrir dans le graphène un gap de Dirac par rupture dynamique de la symétrie par renversement du temps, et révéler ainsi une structure topologique de Floquet ? Les auteurs cherchent une observation directe, résolue en énergie et en impulsion, de ce gap.

Méthode

Les auteurs étudient du graphène monocouche exfolié par spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle (TrARPES), avec une pompe infrarouge de 310 meV et une fluence typique de 9,0 mJ/cm² ; ils comparent les mesures avant, pendant et après le recouvrement pompe-sonde, ainsi que sous polarisations circulaire droite, circulaire gauche et linéaire. Ils extraient le gap à partir de courbes de distribution en énergie et comparent les spectres à des calculs de Floquet fondés sur un modèle de liaison forte du graphène ; l’analyse théorique calcule également la courbure de Berry et la topologie de Chern.

Résultats

Résultat Au recouvrement temporel de la pompe et de la sonde, l’analyse des pics au point K donne un gap de 203 ± 30 meV.
Voir le passage dans l’article
Fitting these peak positions gives the gap value $\Delta_{0}=203\pm 30$ meV (Fig. 3h).
Résultat Le gap apparaît sous excitation circulaire droite comme gauche, mais est absent sous excitation linéaire.
Voir le passage dans l’article
A pronounced Dirac gap opens under both RCP and LCP driving but is absent under LP excitation.
Résultat Le gap et la suppression du poids spectral au point de Dirac sont confinés à la période de recouvrement pompe-sonde, contrairement à la population de la bande de conduction qui persiste plusieurs centaines de femtosecondes.
Voir le passage dans l’article
Whereas the photo-excited CB population persists over several hundred femtoseconds before fully relaxing, both the Floquet sideband and the suppression of the spectral weight at the Dirac point are confined only to the pump–probe temporal-overlap region, distinguishing them from long-lived population effects.
Interprétation des auteurs Les calculs attribuent le gap à une masse de Haldane induite par la lumière et indiquent une courbure de Berry de même signe entre les deux vallées, associée à une topologie de Chern de Floquet à basse énergie.
Voir le passage dans l’article
Combined with the opposite Dirac chiralities between the K and K′ valleys, the valley-opposite masses generate Floquet Berry curvatures of the same sign, providing the characteristic topological signature[20] analogous to the Haldane model (see Fig. 5 and Extended Data Fig. 1).

Limites

La description par Hamiltonien effectif de basse énergie ne s’applique qu’aux électrons proches des points K et K′ et à des énergies bien inférieures à celle du photon de pompe.
Voir le passage dans l’article
This low-energy description applies near the Dirac points for electronic energies well below the pump photon energy $\hbar\omega$.
Les auteurs précisent que la classification topologique exacte sur toute la zone de Brillouin est sensible aux résonances d’ordre supérieur.
Voir le passage dans l’article
Note that these topological invariants are rigorously defined only globally over the whole Brillouin zone and are therefore sensitive to the weak higher-order resonances[58].
La topologie de Floquet calculée ne garantit pas une conductance Hall quantifiée, car les bandes de Floquet sont généralement partiellement occupées.
Voir le passage dans l’article
An integer Chern number does not imply a quantized Hall conductance as the Floquet bands are generally only partially occupied[11, 20, 35, 36, 37].

Portée

Les auteurs soutiennent que l’éclairage circulaire permet de créer transitoirement une phase topologique dans un système non magnétique initialement sans gap, en contrôlant dynamiquement la symétrie par renversement du temps. Ils présentent cette approche comme une voie vers l’ingénierie optique de phases topologiques et de matière quantique chirale hors équilibre.

Rédigé par une IA à partir de l’article. Les passages cités sont vérifiés mot pour mot dans le texte analysé ; le reste peut contenir des erreurs.

Mots clés générés par l'IA : graphène ; gap de Haldane ; polarisation circulaire ; spectroscopie TrARPES ; topologie de Chern

Pour aller plus loin

Résumé Complet
Résumé vulgarisé
Article de blog
Abstract original

L’article examine si une lumière circulairement polarisée peut ouvrir une bande interdite au point de Dirac du graphène en brisant dynamiquement la symétrie par renversement du temps. Cette bande interdite, susceptible de transformer le graphène non magnétique en un système topologique de type Chern, est appelée « gap de Haldane induit par la lumière ». Avant cette étude, des réponses optiques compatibles avec ce scénario avaient été rapportées, sans toutefois fournir une observation directe du gap, résolue en énergie et en impulsion. Les auteurs étudient du graphène monocouche exfolié par spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle (TrARPES), qui permet de suivre les états électroniques pendant l’excitation lumineuse. Le recours à un échantillon de grande qualité vise à éviter qu’un gap présent à l’équilibre, par exemple sous l’effet du substrat, ne masque le phénomène recherché. Des impulsions infrarouges de 310 meV et d’environ 121 fs excitent le matériau, tandis que les impulsions de sonde durent 66 fs. Pour les mesures principales, la fluence est de 9,0 mJ/cm², ce qui correspond à un champ électrique dans le plan estimé à environ 1,0 × 10⁸ V/m. Les auteurs comparent les spectres mesurés avant, pendant et après le chevauchement temporel des impulsions pompe et sonde, ainsi que sous polarisations circulaire droite, circulaire gauche et linéaire. Ils confrontent les observations à des simulations de Floquet fondées sur un modèle de liaisons fortes du graphène, puis calculent la courbure de Berry et les invariants topologiques associés. À l’équilibre, le spectre présente un cône de Dirac sans gap. Lorsque l’impulsion circulaire recouvre celle de la sonde, les auteurs observent une forte diminution du poids spectral près du point K et une séparation des branches supérieure et inférieure. L’analyse des courbes d’intensité en fonction de l’énergie révèle un gap de 203 ± 30 meV. Les bandes latérales de Floquet et la suppression spectrale n’apparaissent que pendant le chevauchement des impulsions, puis disparaissent, alors que la population électronique excitée peut persister plusieurs centaines de femtosecondes. Cette différence temporelle étaye l’interprétation selon laquelle le phénomène résulte d’un effet cohérent du champ, plutôt que d’un simple effet de population. Les simulations reproduisent les principales caractéristiques observées. La dépendance à la polarisation joue un rôle central dans l’interprétation. Le gap est observé sous excitations circulaires droite et gauche, avec des amplitudes presque identiques, mais pas sous excitation linéaire. Le changement de chiralité de la lumière est donc compatible avec une inversion du signe de la masse de Dirac induite, sans modification notable de sa valeur absolue. Les calculs associent cette masse à des sauts complexes effectifs entre sites voisins de second ordre, analogues au mécanisme du modèle de Haldane. Ils prédisent des masses opposées dans les deux vallées et, compte tenu de leurs chiralités opposées, une courbure de Berry de même signe. Les calculs de Floquet indiquent une topologie de Chern à basse énergie, avec un nombre de Chern partiel qui s’approche de +1 sous polarisation circulaire droite et de −1 sous polarisation circulaire gauche, pour une plage de coupures en impulsion.

Une lumière circulaire ouvre un gap dans le graphène

Le graphène est célèbre pour son cône de Dirac : près de certains points de son spectre électronique, ses électrons se comportent comme s’ils étaient sans masse. Mais que se passe-t-il si l’on éclaire ce matériau avec une lumière dont le champ électrique tourne en cercle ? Dans « Observation of light-induced Haldane gap in graphene », Fei Wang, Xuanxi Cai, Wanying Chen, Xiao Tang, Jinze Li, Benshu Fan et leurs collègues examinent si cette excitation peut ouvrir une bande interdite et conférer au graphène des propriétés topologiques inhabituelles.

Le phénomène recherché est appelé « gap de Haldane induit par la lumière ». Il pourrait faire du graphène, pourtant non magnétique, un système topologique de type Chern en brisant dynamiquement la symétrie par renversement du temps. Des indices optiques compatibles avec cette idée avaient déjà été signalés. Cependant, il manquait une observation directe du gap, résolue à la fois en énergie et en impulsion.

Observer les électrons pendant l’éclairage

Pour suivre les changements du spectre électronique, les auteurs ont utilisé la spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle, ou TrARPES. Cette technique mesure les états électroniques pendant l’excitation lumineuse. L’expérience porte sur du graphène monocouche exfolié de grande qualité, un choix important : un gap déjà présent à l’équilibre, par exemple à cause du substrat, pourrait masquer celui que la lumière est censée produire.

Les chercheurs ont envoyé sur l’échantillon des impulsions infrarouges de 310 meV, d’une durée d’environ 121 femtosecondes, puis ont sondé sa réponse avec des impulsions de 66 femtosecondes. Pour les mesures principales, la fluence atteignait 9,0 mJ/cm², soit un champ électrique dans le plan estimé à environ 1,0 × 10⁸ V/m. Les spectres ont été comparés avant, pendant et après le chevauchement des impulsions, sous lumière circulaire droite, circulaire gauche et linéaire.

Un gap visible, mais seulement pendant l’impulsion

À l’équilibre, les mesures révèlent le cône de Dirac attendu, sans bande interdite. La situation change lorsque l’impulsion circulaire recouvre celle de sonde : le poids spectral diminue fortement près du point K, tandis que les branches supérieure et inférieure du cône se séparent. L’analyse des courbes d’intensité en fonction de l’énergie donne un gap de 203 ± 30 meV.

Le signal disparaît lorsque les impulsions ne se chevauchent plus. Les bandes latérales de Floquet et la suppression spectrale autour du point de Dirac sont donc étroitement liées à la présence du champ lumineux. C’est un indice important, car les électrons excités peuvent rester dans un état de population modifié pendant plusieurs centaines de femtosecondes. Le gap, lui, ne persiste pas de la même façon. Cette différence de durée soutient l’interprétation d’un effet cohérent du champ, plutôt que celle d’un simple changement de population électronique.

Les auteurs ont également comparé leurs observations à des simulations de Floquet fondées sur un modèle de liaisons fortes du graphène. Ces calculs reproduisent les principales caractéristiques du spectre mesuré, renforçant le lien entre le champ périodique de la lumière et l’ouverture du gap.

La chiralité de la lumière et la topologie

La polarisation fournit un autre test crucial. Le gap apparaît aussi bien sous excitation circulaire droite que circulaire gauche, avec des amplitudes presque identiques. En revanche, il n’est pas observé avec une excitation linéaire. La lumière circulaire semble donc indispensable pour créer ce phénomène.

Changer le sens de rotation de la lumière est compatible avec une inversion du signe de la masse de Dirac induite, sans changement notable de sa valeur absolue. Dans les calculs, cette masse découle de sauts complexes effectifs entre sites voisins de second ordre, un mécanisme analogue à celui du modèle de Haldane.

Les simulations prédisent des masses opposées dans les deux vallées du graphène. Comme ces vallées ont des chiralités opposées, elles contribuent à une courbure de Berry de même signe. Cette géométrie quantique des états électroniques est liée à la réponse topologique du matériau. Les calculs de Floquet indiquent ainsi une phase topologique de Chern à basse énergie : le nombre de Chern partiel s’approche de +1 sous lumière circulaire droite et de −1 sous lumière circulaire gauche, pour une plage de coupures en impulsion.

Une étape vers des matériaux topologiques pilotés par la lumière

Cette étude apporte une observation résolue en énergie et en impulsion d’un gap au point de Dirac, déclenché par une lumière circulaire et limité à la durée de l’excitation. La dépendance à la polarisation, les simulations concordantes et les prédictions topologiques appuient l’interprétation d’un gap de Haldane induit par la lumière. Les résultats suggèrent qu’il est possible de piloter temporairement les propriétés électroniques et topologiques du graphène à l’aide d’impulsions lumineuses, sans modifier durablement le matériau.

Créé le 02 Nov. 2026

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