Spectroscopie des semi-conducteurs nouveaux en utilisant lasers a cascades quantiques infrarouge lointaine sous champs magnétique megagauss – TeraMegaSpec

Nous utilisons l`installation unique capable de produire champs magnétiques supérieur de 200 Tesla de manieur semi-destructive. Semi-destructive, cela dit que la bobine magnétique explose chaque fois et doit être remplace, par contre l`échantillon reste intact. D`autre cote, l`échelle de temps d`expérience est fixée par temps d`explosion de bobine et donc est de l`ordre de quelque microsecondes. Cette échelle de temps est particulièrement difficile pour spectroscopie THz, en particulier la partie détecteur car d`habitude des détecteurs THs sont lents. L`autre problème est de guidage d`ondes THz car champs magnétiques aussi rapide ne tolère pas des pièces métalliques a l`intérieur de la bobine

Nous avons construit le prototype de spectromètre CR. Le laser QCL est installé justement 10cm de la bobine mono spire Megagauss, capable de générer 150 Tesla dans 2 microsecondes. L`émission THz est guidé par le guide d`ondes miniature fait maison jusque l`emplacement d`échantillon. L`émission transmit par l`échantillon est guide en suite par le même type de guide d`onde jusque le détecteur Ge :Ga. En décembre 2020 nous avons vu la première lumière de cette spectromètre, pour instant sans champs magnétique applique et sans échantillons. Par contre, le niveau de signal reste faible et optimisation future est indispensable. L`étude de performance de ce spectromètre sous champs magnétique Megagauss est envisagé.

La Covid pandémique a perturbé beaucoup notre planning initial. Nous espérons fournir le prototype de spectromètre THz pour champs magnétiques Megagauss jusque fin du projet

Pour instant nous sommes en phase de développement technique.

La spectroscopie aux fréquences THz dans des champs magnétiques MegaGauss (MG) constitue une approche innovante pour l`étude de nouveaux matériaux semi-conducteurs. Récemment cette approche est devenue possible par le développement de laser à cascade quantiques et la génération de champs magnétiques au-delà de 100 Tesla (1 MegaGauss). L`atout principal de ce projet est de s`appuyer sur des experts compétents dans ces deux domaines. Cette nouvelle technique donnera accès à la mesure de masse effective dans des matériaux nouveaux dont des porteurs ont une mobilité faible.

Dans ce projet, nous réaliserons un spectromètre THz dans des champs magnétiques MG en utilisant des sources THz QCL installées à proximité de la bobine. Il est nécessaire d`optimiser les lasers THz QCL pour cette application. La performance de spectromètre sera démontrée par la mesure des masses effectives des électrons dans une ensemble d`échantillons MnSi de composition sociométrique variable.
Nous allons mesurer la masse effective par la méthode directe de résonance cyclotron, dans laquelle la raie d`absorption à la fréquence cyclotron vient s`accorder à la fréquence d`excitation. La condition d`observabilité dans des matériaux de faible mobilité et de large masse effective impose à la fois une excitation aux fréquences THz et un champ magnétique dans le domaine MG. Notre expérience réalisera la première mesure de résonance cyclotron aux fréquences THz sous champ magnétique MG.
Pour ces mesures sous champs MG le laser QCL devra produire une impulsion unique d`intensité constante, de dure supérieure à 20µs, et de puissance supérieure à 10mW. Nous partirons des lasers QCLs existants pour adapter leur performance aux contraintes de l`expérience. En particulier, la puissance de ces lasers doit être optimisée pour produire une impulsion d`intensité constante avec un faible bruit durant toute l`impulsion de champ magnétique. La durée nécessaire de 20 ?s qui est visée se situe entre le régime continu et le régime impulsionnel courant inférieur à 1µs. Nous avons pu réaliser des impulsions de cette longueur dans des lasers QCLs, mais leur fréquence d`émission et la stabilité de la puissance sont encore à démontrer.