Dynamiques THz dans les nanostructures et super-réseaux de matériaux multiferroïques – THz-MUFINS

Pour atteindre le domaine acoustique THz, il faut confiner l’interaction lumière/onde acoustique à des échelles nanométriques. Ainsi, dans le projet, (WP1) une conception ciblée permettra de réaliser des nanostructures telles des super-réseaux de multiferroïques ou des films minces dont les domaines ferroélectriques seront nanostructurés. Ces nanostructures périodiques comporteront le matériau BiFeO3, système multiferroïque à température ambiante et à petit gap et présentant les meilleurs propriétés pour atteindre nos objectifs. La croissance permettra de contrôler dans les super-réseaux non-seulement les périodicités chimiques/structurales mais aussi ferroélectriques et magnéto-électriques. Ces spécificités propres aux multiferroïques sont cruciales pour révéler des réponses acousto-optiques et électro-mécaniques de premier plan, et absentes dans les super-réseaux traditionnels à base de semiconducteurs qui ont été utilisés jusqu'à maintenant pour l'opto-acoustique et l'acousto-optique THz. Pour atteindre ces objectifs, les propriétés opto-acoustiques et acousto-optiques seront évaluées par des mesures pompe-sonde (WP2): nous étudierons la génération d’ondes acoustiques THz par excitation optique résonante (énergie du photon de pompe supérieure au gap de BiFeO3 ) ou bien par excitation électrique ultra-brève (énergie du photon de pompe inférieure au gap de BiFeO3) grâce à des sources lumineuses THz intenses (10-500 kV/cm). Cette gamme complète du spectre électromagnétique est un point original de ce projet. Enfin, pour valider nos idées applicatives, un dispositif transducteur/modulateur acousto-optique reconfigurable électriquement est proposé (TRL 3). Ce dispositif repose sur un contrôle de la nanostructuration des domaines ferroélectriques (orientation, taille) par cyclage réversible de la polarisation ferroélectrique. La distribution des domaines ainsi contrôlée, il sera possible de commander le spectre des ondes acoustiques émises et la nature de l’interaction acousto-optique à l‘échelle de la picoseconde.

en cours

Ces nanostructures multiferroïques artificiellement architecturées ont le potentiel de devenir des ingrédients clés dans des dispositifs tels que :
1) Transducteurs : Les dispositifs nanostructurés seront une source d'ondes acoustiques THz photo-contrôlées (photo-transducteurs). Les ondes acoustiques THz (avec des composantes acoustiques longitudinales-LA et transversales-TA) seront soit contrôlées avec un rayonnement visible (eV) ou THz (meV). De telles sources acoustiques THz sont envisagées pour la nano-métrologie optique, acoustique et acousto-optique.
2) Modulateurs : les nanostructures orientées vers les dispositifs constitueront une plate-forme pour étudier le couplage acousto-optique, c'est-à-dire la manipulation de la lumière avec des ondes acoustiques, y compris la rotation de polarisation de la lumière dans la gamme NIR-VIS-NUV et la modulation de l'émission d'acousto- rayonnement THz électrique.

en cours

Ce projet vise à ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine des capteurs, actionneurs et modulateurs acousto-optiques impliquant des ondes acoustiques THz et des ondes électromagnétiques qui couvrent des régions fréquentielles allant du proche-infrarouge au proche ultra-violet (NIR-VIS-UV) ainsi que du terahertz (THz). Ces deux régions constituent un fort enjeu, autour d’une physique riche, pour les technologies photoniques et optoélectroniques haute fréquence (GHz-THz). Pour répondre à cet enjeu, les nanostructures à base de matériaux multiferroïques apparaissent comme des outils extrêmement prometteurs. Il devient donc nécessaire d’établir une description complète des processus opto-acoustiques et acousto-optiques ultra-rapides présents dans ces nouveaux systèmes. Le processus opto-acoustique consiste à générer des ondes acoustiques avec des impulsions lumineuses ultra-brèves (laser femtoseconde) alors que le processus acousto-optique correspond à la modulation des propriétés de la lumière par les ondes acoustiques (effet photoélastique).
Pour atteindre le domaine acoustique THz, il faut confiner l’interaction lumière-onde acoustique à des échelles nanométriques. Ainsi, dans le projet, une conception ciblée permettra de réaliser des nanostructures à base du multiferroique modèle BiFeO3 (BFO) tels que, (i) des super-réseaux où la périodicité chimique/structurale est imposée par l’alternance de couches minces, ainsi que (ii) des nanostructurations dans le plan d’une couche où la période est imposée par les propriétés intrinsèques du multiferroique (domaines ferroélectriques et magnéto-électriques). Ces spécificités propres aux multiferroïques sont cruciales pour révéler des réponses acousto-optiques et électro-mécaniques originales car notamment absentes dans les super-réseaux traditionnels à base de semiconducteurs qui ont été, jusqu'à maintenant, utilisés pour l'opto-acoustique et l'acousto-optique THz.
Aussi, une fois architecturées (WP1), les propriétés opto-acoustiques et acousto-optiques de ces nanostructures seront évaluées par des mesures pompe-sonde (WP2). Nous étudierons la génération d’ondes acoustiques THz par excitation optique résonante (énergie du photon de pompe supérieure à celle de la bande interdite du BFO) ou bien par excitation électrique ultra-brève (énergie du photon de pompe inférieure à celle de la bande interdite du BFO) grâce à des sources lumineuses THz intenses (10-500 kV/cm). Cette gamme élargie du spectre électromagnétique est aussi un des points originaux de ce projet.
Enfin, comme preuve de concept (TRL 3), un dispositif transducteur/modulateur acousto-optique reconfigurable électriquement est proposé (WP3). Ce dispositif repose sur un contrôle in situ et réversible de la nanostructuration des domaines ferroélectriques (orientation, taille) par l’application d’une tension électrique sur le matériau. Ce pilotage externe de la nanostructure permettra ainsi de commander le spectre des ondes acoustiques émises sur demande.