Etude experimentale et théorique de l’interaction d’une impulsion ultracourte avec un nanocone de carbone – LASCAR

Ce projet a pour but d'étudier l'interaction entre une pointe formée par un nanocône de carbone (CCnT : Carbon Cone nanoTip) unique et une impulsion laser ultra-courte, entraînant l'émission d’impulsions électroniques. Cette approche innovante, grâce à la taille nanométrique de la pointe, permettra d’atteindre des phénomènes de champ fort grâce à l’effet d’amplification locale du champ. Le contrôle des propriétés électroniques de la pointe durant l'interaction est intimement lié aux choix des paramètres du laser et du design de la pointe. Une force de ce projet est de travailler avec des nanocône de carbone, dont on pourra modifier les propriétés électroniques par une synthèse appropriée.
En effet, le nanocône de carbone est formé par un nanotube de carbone central sur lequel est déposé un cône de carbone constitué de graphènes concentriques. Un premier objectif du projet sera l'amélioration des propriétés émissives des pointes par l'obtention de méta-CCnT. Ces méta-CCnT seront réalisés par un processus de dopage et/ou de remplissage du nanotube supportant le cône. Les propriétés émissives seront tout d'abord étudiées de façon systématique par des analyses du courant par émission de champ ainsi que par des analyses en microscopie électronique. Une fois ces paramètres déterminés, nous étudierons l’interaction de ces pointes avec des impulsions laser ultra-courtes, grâce à des développements d'imagerie et de spectroscopie des électrons émis.
Pour étudier l'interaction en champ fort (produite par l'irradiation laser), un système laser produisant des impulsions de quelques cycles optiques dans l'infra-rouge moyen sera mis en place pour donner naissance à des phénomènes de recollision des électrons à plus haute énergie. La génération d’harmoniques pourra ainsi être étudiée pour la première fois sur un tel système unique.
Cette étude sera corroborée par des modèles théoriques basés sur la TDDFT (time dependent density functional theory). De nouveaux modèles seront développés conjuguant une approche quantique de l'émission d'électrons et leur trajectoires classiques sous l'effet du rayonnement laser, dans l'objectif d'étudier la recollision et l'émission d'harmoniques.
Ce projet, à la frontière de la thématique des phénomènes ultra-rapides et des nanosciences des matériaux, bénéficiera du travail complémentaire de quatre partenaires (LCAR, LPT, CEMES et Université de Saragosse, ces 2 derniers partenaires étant liés dans un Laboratoire Européen Associé - LEA). La maîtrise expérimentale des technologies des lasers ultra-courts du groupe Femtocontrol associée aux connaissances en détection électronique du groupe Interaction Ion-Matière est la pierre angulaire de ce projet, coordonné au LCAR. La croissance et la caractérisation des pointes sera menée entre le CEMES et l'Université de Saragosse par la mise en place d'une thèse en co-tutelle tandis que la mise en place des modèles indispensables à la compréhension des phénomènes mis en jeu sera dirigé par le groupe Clusters au LPT, en collaboration avec LCAR-Theory.
Au-delà de l'aspect fondamental, les études menées semblent très prometteuses tant pour les applications possibles des méta-CCnT dans de nouvelles sources électroniques à forte brillance que pour de nouvelles microscopies à forte résolution spatiale et temporelle. De plus, au cours de ce projet, de nouveaux développements technologiques seront mis en œuvre, à la fois sur la source laser haute-cadence dans l’infra-rouge moyen, et sur la détection d’électrons résolue spatialement et spectralement. Ces nouveaux outils pourront profiter à une communauté plus large.