Measuring graphene’s Berry phase at B = 0 T
Résumé
The Berry phase of wave functions is a key quantity to understand various low-energy properties
of matter, among which electric polarisation, orbital magnetism, as well as topological and ultra-relativistic
phenomena. Standard approaches to probe the Berry phase in solids rely on the electron dynamics in
response to electromagnetic forces. In graphene, probing the Berry phase π of the massless relativistic
electrons requires an external magnetic field. Here, we show that the Berry phase also affects the static
response of the electrons to a single atomic scatterer, through wavefront dislocations in the surrounding
standing-wave interference. This provides a new experimental method to measure the graphene Berry phase
in the absence of any magnetic field and demonstrates that local disorder can be exploited as probe of
topological quantum matter in scanning tunnelling microscopy experiments.
Les interférences de quasiparticules observées par microscopie à effet tunnel sont particulièrement
utiles pour étudier les propriétés électroniques de matériaux en surfaces. Ces interférences possèdent des
informations sur la surface de Fermi du système et leur résolution en énergie permet, dans certains cas,
de reconstruire la relation dispersion. Nous montrons ici que les images d’interférences de quasiparticules
peuvent aussi contenir une information sur la phase de Berry qui caractérise la structure de bande du
matériau. La phase de Berry est une phase géométrique que les fonctions d’onde electroniques acquièrent
lors d’une évolution cyclique dans un espace de paramètres. Elle est quantifiée lorsque la trajectoire de
l’évolution enserre une singularité des fonctions d’onde. Il s’agit alors d’une propriété topologique de la
structure de bande. La phase de Berry dans les solides est traditionnellement mesurée en appliquant des
champs électromagnétiques pour forcer les particules à former de trajectoires fermées. L’utilisation de la
figure d’interférence de quasiparticules permet de s’extraire de ce paradigme car la phase de Berry peut
affecter la réponse statique des électrons au désordre en l’absence de champ électromagnétique.
