Interactions phonon-matière à l’échelle nanométrique – PPMI-NANO

Les phonons acoustiques THz qui peuvent être générés dans les solides présentent des longueurs d’ondes de l’ordre de quelques nanomètres. De telles échelles de longueur ouvrent de nouvelles possibilités de sonder des phénomènes quantiques à l’échelle nanométrique. Ces phonons THz peuvent être générés en irradiant, par des impulsions laser ultra-courtes, des structures métalliques multi-couches. Très récemment, nous avons pu montrer [V. Temnov, Nature Phot. (2012); Nature Comm. (2013)] que des impulsions acoustiques générées dans des structures bi-couches d’or-cobalt peuvent présenter de très grandes amplitudes et ainsi exciter des phénomènes non-linéaires acoustiques sans détruire le matériau. Ces impulsions « géantes », caractérisées par des pressions de quelques GPa et concentrées dans l’espace (sur une dimension) à l’échelle du nanomètre, sont de plus capables de contrôler le renversement magnéto-acoustique thermique dans des matériaux magnétostrictifs [O. Kovalenko et al., Phys. Rev. Lett. (2013)].
Ce projet vise à explorer différentes pistes de génération d’impulsions acoustiques intenses localisées spatio-temporellement, dans le but de les utiliser pour le contrôle dynamique de structures quantiques complexes. Ainsi, nous espérons largement contribuer à l’état de l’art des techniques de génération de telles impulsions mais aussi à ouvrir la porte à de nouvelles études de systèmes de matière condensée à l’échelle nanométrique. Dans un premier temps, nous explorerons les capacités de focalisation à 2 et 3 dimensions d’impulsions acoustiques picosecondes. L’approche 2D, déjà maitrisée [T. Pezeril et al., Phys. Rev. Lett. (2011)], sera étendue à l’échelle nanométrique en excitant optiquement un trou de diamètre inférieur à la longueur d’onde isolé dans une fine couche de cobalt. Dans un second temps, le concept plus ambitieux d’utilisation d’une lentille de Fresnel acoustique nano-fabriquée en or-cobalt sera appliqué pour concentrer les ondes acoustiques sur une tâche focale de taille inférieure à la centaine de nanomètres.
Le développement de ces techniques permettant une grande concentration en pression fournira un terrain expérimental idéal pour exciter et contrôler, à l’échelle nanométrique, la nature quantique des interactions à plusieurs corps dans les systèmes de matière condensée. Les mesures de l’interaction magnéto-élastique entre une onde acoustique et la précession ferro-magnétique dans un nano-aimant, localisée en un point focal, apporteront une preuve originale de la réussite de la technique de focalisation 3D mais aussi pourront être utilisées pour l’étude de la physique des interactions magnéto-élastiques à l’échelle nanométrique. En parallèle, nous étudierons les modifications, induites par une contrainte mécanique, des niveaux d’énergie des excitons dans des boites quantiques à semi-conducteurs et ce à des échelles de temps ultra-rapides [F. Sotier et al, Nature Phys.5, 352 (2009), J. Huneke et al., Phys. Rev. B (2011)]. Ces expériences nous permettrons pour la première fois de réaliser des études de dépendance en pression de la dynamique dans une boite quantique [C. Negele et al., Macromol. Rapid Commun. (2013), T. de Roo et al., Adv. Funct. Mater. (2014)] à des températures cryogéniques, avec la possibilité de contrôler la transition de phase de la structure de ce système.
Tous ces travaux expérimentaux sur les phonons acoustiques THz fourniront un support fondamental pour les composants magnéto-élastiques et opto-acoustiques ultra-rapides à l’échelle nanométrique. En résumé, le principal objectif de ce projet sera d’étudier de nouvelles architectures originales à l’échelle nanométrique grâce à des expériences d’optique ultra-rapide et des simulations numériques. Pour cela, nous nous baserons sur l’étude de deux systèmes modèles, le nano-aimant et la boite quantique à semi-conducteurs, qui seront soumis à des impulsions acoustiques ultra-rapides concentrées dans les trois dimensions de l’espace.