Microscopie photo-thermo-acoustique d'une boîte quantique unique – SONORE

L'observation d'objets de très petite taille, en particulier avec de la lumière, est un des défis constants des nanotechnologies. Observer notamment l'absorption optique de nanostructures uniques est une approche très fructueuse car l’absorption est la signature de nombreux processus physiques. Cependant la mesure de l’absorption peut être une tâche extrêmement ardue. A température ambiante dans la gamme spectrale du moyeninfrarouge l’amplitude d’absorption d’une boîte unique de semiconducteurs peut être aussi petite que 10^-9. Pour cette raison aucune mesure n’avait jamais permis d'observer l’absorption d’une boîte quantique unique dans le moyen infrarouge, même dans les conditions favorables de basse température (en excluant nos réalisations récentes). Pour cette même raison, la résolution spatiale sous la limite de diffraction de l’absorption d’une boîte quantique unique à température ambiante n'avait jamais été rapportée, quelque soit la gamme de longueur d’onde considérée. La gamme spectrale du moyen-infrarouge, correspondant à des longueurs d’onde typique de lambda~10 Ym, est aussi complètement inexplorée sur des boîtes quantiques uniques. Dans ce projet SONORE de type recherche fondamentale, nous proposons d’étudier l’absorption ultrafaible d’une boîte quantique unique de semi-conducteurs, sans détection de photons. Nous appliquerons et étudierons une imagerie extrêmement sensible à haute résolution spatiale s’appuyant sur la détection locale des phonons et des déformations thermiques. L’absorption ultrafaible sera à la fois résolue spectralement et spatialement dans un régime largement sous-longueur d’onde (environ lambda/150), de l’infrarouge proche à l’infrarouge moyen, de la température ambiante à la basse température.L’imagerie d’absorption et la spectroscopie localisée utiliseront un microscope à force atomique (AFM) couplé à un laser impulsionnel excitateur. Les contributions acoustiques et thermiques d’une boîte quantique unique à la réponse de l’instrument seront explorées théoriquement et expérimentalement de la température ambiante à basse température. Cela sera comparé aux études acoustiques picosecondes des ondes acoustiques cohérentes émises par les mêmes nanoobjets en allant d’une mesure d’ensemble jusqu’à la microscopie confocale sur boîtes quantiques uniques si possible. Étudier la réponse photo-thermo-acoustique conduira à une meilleure compréhension des mécanismes à la fois à l’origine de la formation des images et d’interaction thermo-acoustique d'une boîte quantique avec la matrice cristalline dans laquelle elle est enterrée. Subséquemment nous évaluerons le potentiel des boîtes quantiques comme milieu à gain pour les phonons acoustiques vers 1 THz. Nous effectuerons une spectroscopie ultrasonore de la structure électronique des boîtes quantiques en explorant leur réponse optique interbande lorsqu'elles sont soumises à un faisceau acoustique monochromatique résonant de haute fréquence. Le projet défrichera une nouvelle direction de recherche ambitieuse concernant l’utilisation, le contrôle et la manipulation d’onde sonore haute fréquence avec des boîtes quantiques de semi-conducteurs. Le projet SONORE posera les jalons clefs à la fois du développement d'une imagerie d'absorption ultrafaible à haute résolution spatiale et qui ouvriront la voie à la démonstration d’une source cohérente monochromatique de phonons acoustiques amplifiés hautes fréquences (i.e. SASER, le pendant pour le son du laser pour la lumière).