Opto-magnétomécanique des hétérostructures de van der Waals – VANDAMME

L’émergence des matériaux de van der Waals d’épaisseur atomique offre de grandes opportunités de développer la nouvelle génération de dispositifs pour la nano- électronique et photonique. La démonstration récente d’un ordre magnétique intrinsèque dans des matériaux de van der Waals atomiquement fin ouvre un vaste champ d’action pour comprendre, contrôler et exploiter le magnétisme à l’échelle nanométrique. Cette classe naissante des matériaux de van der Waals magnétiques (MVM) permettra d’embarquer des degrés de liberté magnétiques dans les hétérostructures de van der Waals qui pourront être contrôlées par des effets de proximité, de dopage ou de contrainte. L’objectif de ce projet est d’étudier les propriétés des aimants 2D intégrés dans des hétérostructures hybrides comme bloc élémentaire de futurs dispositifs ultrafins pour la nano-optique et la spintronique, sous l’angle de la nano-optomécanique et de la spectroscopie optique.
Nous exploiterons des effets de proximité magnétiques sur des monocouches de dichalcogénures de métaux de transition semi-conductrices (TMD). Offrant un gap direct, une grande énergie de liaison excitonique dans le visible et l’infrarouge, et des degrés de liberté de vallée et de spin couplés qui peuvent être adressés via l’hélicité de la lumière, cette classe de matériaux est d’un grand intérêt pour les dispositifs ultrafins pour l’optique quantique et l’optoélectronique. Leurs propriétés optiques peuvent être ajustées par le champ d’échange hérité de l’interface à un matériau magnétique adjacent. Nous accorderons les propriétés optiques des hétérostructures par les différents états magnétiques offerts par les MVM, ajustées finement par la nanomécanique. Vers ce but élaboré, nous poursuivrons les objectifs suivants :
O1) fabriquer des hétérostructures de van der Waals magnétiques suspendues
O2) créer une plateforme optomécanique pour observer et contrôler l’ordre magnétique
O3) explorer les effets de proximité magnétiques contrôlés par la contrainte dans des hétérostructures suspendues
La conjonction unique de techniques et d’expertises inspirées par la nanomécanique, la nano-optique, la spectroscopie optique, la magnonique et le nanomagnétisme nous donneront la possibilité d’observer et de contrôler subtilement la contrainte dans ces systèmes, l’ordre magnétique et les effets de proximité induits.
Depuis les travaux pionniers autour des MVM en 2016-2017, ce domaine de recherche a été très prolifique et compétitif mais en est toujours à ces balbutiements, considérant la variété exceptionnelle de structures et de phénomènes à explorer.
Par une détection optomécanique, nous visons l’observation du mouvement Brownien de monocouches de matériaux de van der Waals magnétiques à 4K. Nous observerons la modification de leurs propriétés mécaniques au travers de la transition magnétique par magnétostriction, corrélée avec de la spectroscopie Raman, une approche peu invasive qui fournira des signatures spécifiques des excitations élémentaires (phonons, magnons…). Cette méthode combinée sera efficace pour comprendre l’origine physique des effets observés. Le contrôle par contrainte de l’ordre magnétique sera étudié. Nous établirons le couplage par effet de proximité entre des magnons micro-ondes et des excitons, d’abord dans une hétérostructure constituée de TMD et d’un substrat magnétique microstructuré, avant de le remplacer par un MVM multifeuillets. Les effets de proximité statiques induits par les MVM seront explorés par spectroscopie optique. Nous considèrerons enfin les vibrations d’hétérostructures suspendues constituées de MVM et de TMD pour étudier le couplage par contrainte des effets de proximité magnétiques.
La compréhension et le contrôle de ces nouveaux objets, combinant la physique des matériaux 2D, le nanomagnétisme et la nano-optomécanique avec une approche unique, ouvrira de nouvelles frontières pour les nanodispositifs ultrafins et l’optomécanique hybride.