Dynamique du solide au cycle optique – TOCYDYS

Les objectifs du projet TOCYDYS (Towards Optical CYcle DYnamics in Solids) sont les suivants :
- Mener à bien un programme de recherche expérimentale et théorique ambitieux, sur la dynamique ultra rapide aux échelles de temps femtoseconde et attoseconde, dans le domaine de la physique des solides et de l’interaction laser matière.
- Contribuer à la pérennisation et au développement de l’Equipex Attolab, dont le financement arrive à terme fin 2019, en participant aux frais de fonctionnement et en augmentant son attractivité, notamment en proposant de nouveaux outils expérimentaux ouverts aux utilisateurs et visiteurs.
Le programme de recherche de TOCYDYS, à caractère fondamental, a pour but de sonder la dynamique des solides, avec une résolution temporelle à l’échelle du cycle optique et de franchir la limite de résolution femtoseconde. Nous nous concentrerons en particulier sur les isolants tels que la silice et le quartz (SiO2) ou le saphir (Al2O3), mais tout type de matériau, isolant, semi-conducteur ou métal peut également être intégré au programme. Le travail sera réalisé sur les facilités récemment ouvertes au LOA at au LIDYL de l’Equipex AttoLAb. Nous aurons accès aux lasers stabilisés en phase et impulsions VUV ultra brèves associées.
Les expériences consisteront à exciter les échantillons avec des impulsions de quelques cycles optiques (intensité de 1012 to 1015 W/cm2) et à sonder la dynamique par mesure de changement de réflectivité, dans les domaines IR et visible, puis avec les trains d’impulsions attosecondes dans le VUV. Nous aurons un accès direct aux mécanismes physiques de l’interaction laser matière et aux étapes initiales de la relaxation électronique du solide : ionisation multiphotonique, tunnel ou Zener, modulation de la bande interdite, diffusion inélastique des porteurs, ionisation par impact, effet Auger, etc. Durant la première partie du programme (20 mois), les mesures seront faites dans les domaines visible et proche IR, avec pour objectif d’atteindre la résolution du cycle optique. Ensuite, dans la deuxième partie, nous construirons un montage pour la mesure de réflectivité dans le VUV, capable d’enregistrer les variations de l’amplitude de l’impulsion sonde, mais aussi ou de la phase en utilisant l’interférométrie spatiale dans le domaine VUV.
En parallèle, un programme théorique, capable de réaliser des simulations numériques des expériences pompe sonde sera développé. Il s’agira d’une approche ab-initio, basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendent du temps, et sur la théorie des perturbations multi-corps. Ce programme théorique devra prendre en compte les effets d’interaction multi corps dans le système électronique, tels que les effets d’écrantage et les effets excitoniques (interaction électron- trou). Il sera mené par étapes de difficultés croissantes : calcul des propriétés optiques du solide au repos, puis à l’état excité, et enfin simulation des expériences pompe sonde.
Ce projet, qui réunit des chercheurs de haut niveau de trois différents laboratoires, le LIDYL et le LSI et le LOA, offre une opportunité unique de développer des méthodes modernes et originales pour la physique des solides sur l’installation Attolab, qui seront, compte tenu de l’ouverture de l’Equipex, disponibles pour la communauté scientifique.
Soumis à l’ANR en 2018, le projet TOCYDYS a reçu d’excellentes appréciations du jury, et a été classé sur liste d’attente. Cette année nous l’avons renforcé avec un support théorique qui sera une aide précieuse pour interpréter les résultats, comprendre la physique et guider les expériences.
Nous espérons vivement que ce programme de recherche, innovant et enthousiasmant, qui ouvrira de nouvelles voies d’observation et de compréhension des phénomènes ultra-rapides en physique du solide et des matériaux, pourra cette année recevoir de l’ANR le financement indispensable à sa réalisation.