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Dernière mise à jour : 15-08-2018


 

Contrôle spatio-temporel de la génération d'harmoniques dans les semiconducteurs pour l'émission d'impulsions attosecondes

SL-DRF-18-0961

Domaine de recherche : Interactions rayonnement-matière
Laboratoire d'accueil :

Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (LIDyL)

Attophysique (ATTO)

Saclay

Contact :

Willem Boutu

Hamed MERDJI

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2018

Contact :

Willem Boutu

CEA - DRF/IRAMIS/LIDYL/ATTO

0169085163

Directeur de thèse :

Hamed MERDJI

CEA - DRF/IRAMIS/LIDyL/ATTO

0169085163

Page perso : http://iramis.cea.fr/LIDYL/en/Phocea/Pisp/index.php?nom=willem.boutu

Labo : http://iramis.cea.fr/LIDYL/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=1149

La nano-photonique ultrarapide est un domaine scientifique émergeant grâce aux progrès extraordinaires de la nanofabrication et des lasers ultrabrefs. La stimulation de champs électriques extrêmement intenses dans des dispositifs photoniques nanostructurés a le potentiel de créer des nano-sources de photons énergétiques ou de particules ouvrant de vastes applications dans la science et dans l'industrie. L’optoélectronique s'étend depuis peu au régime hautement non linéaire. Un impact récent de cette capacité de contrôler la réponse des électrons excités dans la bande de conduction par un champ fort est l'émergence de la génération d'harmoniques élevés (HHG) dans les cristaux [1-6]. Les semi-conducteurs 2D et 3D présentent des propriétés de haute mobilité électronique qui permettent de conduire de manière cohérente des courants d'électrons intenses dans la bande de conduction. Les HHG sont émis lorsque ces électrons se recombinent vers la bande de valence. Il s'agit d'un phénomène pur non-perturbatif qui se produit efficacement dans une couche de de 10 à 100 nanomètres d’épaisseur et jusqu'à une couche atomiquement mince [5,6]. Le fort courant d'électrons à partir duquel les harmoniques prennent origine peut être manipulé dans l'espace et dans le temps. Le projet de thèse se concentrera sur la forte localisation spatiale et temporelle, à l'échelle du cycle optique unique [7,8], du processus de génération d'harmoniques. Ce contrôle peut non seulement révolutionner la science attoseconde mais aussi préparer une nouvelle génération de dispositifs ultrarapides UV/visibles à des systèmes optoélectroniques à rayons X cohérent. Basé sur l'expertise, les ressources expérimentales et théoriques du groupe, le candidat cherchera des moyens efficaces de renforcer le régime d'interaction par amplification plasmonique et confinement de champ pour la génération de sources harmoniques à l'échelle nanométrique et attoseconde dans les semi-conducteurs. Une attention particulière sera accordée aux matériaux 2D tels que le graphène, MoS2 et h-BN. La génération d'impulsions attosecondes sera également étudiée en utilisant des mesures de phase harmonique disponibles au CEA (techniques RABBITT, FROG). Nous allons également développer un échantillon original nanostructuré qui permettra de générer une impulsion attoseconde unique en se basant sur le concept du phare attoseconde.

La thèse se déroulera dans l'installation NanoLight, un tout nouveau laboratoire équipé de deux sources laser: un OPCPA intense de 100kHz, quelques cycles optiques (accordable de 1,5 à 3,4 µm) et un laser fibrée à 2µm et sur les installations ATTOLAB équipées de lasers Ti: Sa CEP- stables et équipé de métrologie attoseconde.



1. Ghimire, S. et al. Observation of high-order harmonic generation in a bulk crystal. Nat. Phys. 7, 138–141 (2011).

2. Luu, T. T. et al. Extreme ultraviolet high-harmonic spectroscopy of solids. Nature 521, 498–502 (2015).

3. Ndabashimiye, G. et al. Solid-state harmonics beyond the atomic limit. Nature 534, 520–523 (2016).

4. You, Y. S., et al. Anisotropic high-harmonic generation in bulk crystals. Nat. Phys. 13, 345–349 (2017).

5. Liu H. et al. High-harmonic generation from an atomically thin semiconductor. Nature Physics 13, 262–265 (2017).

6. Yoshikawa, N., et al. High-harmonic generation in graphene enhanced by elliptically polarized light excitation. Science, 356, 736-738 (2017).

7. Hohenleuter, M. et al. Real-time observation of interfering crystal electrons in high-harmonic generation. Nature 523, 572-575 (2015).

8. Langer, F. et al., Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescale. Nature 533, 225–229 (12 May 2016).

9. Franz et al. submitted to Science Advances arXiv:1709.09153

10. Shaaran, T et al. Nano-Plasmonic near Field Phase Matching of Attosecond Pulses. Scientific Reports 2017, 7, 6356.

11. Shi, L. et al. Self-Optimization of Plasmonic Nanoantennas in Strong Femtosecond Fields. Optica 2017, 4, 1038–1043.

12. Nicolas R. et al. Plasmon-Amplified Third Harmonic Generation in metal/dielectric resonators, submitted to ACS Nano (2017).

Impulsions XUV attosecondes portant un moment angulaire : synthèse et nouvelles spectroscopies

SL-DRF-18-0221

Domaine de recherche : Interactions rayonnement-matière
Laboratoire d'accueil :

Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (LIDyL)

Attophysique (ATTO)

Saclay

Contact :

Thierry RUCHON

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2018

Contact :

Thierry RUCHON

CEA - DRF/IRAMIS/LIDyL/ATTO

0169087010

Directeur de thèse :

Thierry RUCHON

CEA - DRF/IRAMIS/LIDyL/ATTO

0169087010

Page perso : http://iramis.cea.fr/LIDYL/Pisp/thierry.ruchon/

Labo : http://iramis.cea.fr/LIDYL/ATTO/

La lumière dans l’extrême ultraviolet (XUV) constitue une sonde universelle de la matière, qu’elle se présente en phase diluée ou condensée : les photons associés à cette gamme spectrale portent une énergie de 10 à 100 eV, suffisante pour ioniser directement atomes, molécules ou objets solides. De grands instruments tels les synchrotrons ou les lasers à électrons libres (LEL) fonctionnent dans cette gamme spectrale et permettent d’étudier, tant du point de vue fondamental qu’appliqué, les interactions lumière-matière dans ce régime. Cependant, ces grands instruments n’offrent pas la résolution temporelle permettant d’atteindre les échelles de temps ultimes des interactions lumière-matière, situées dans la gamme attoseconde (1as=10^-18s). Une alternative est offerte par le développement, ces dernières années, de sources XUV basées sur la génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG) d’un laser femtoseconde intense. Notre laboratoire a été pionnier pour le développement, le contrôle et la mise en forme de ces sources fournissant des impulsions XUV attosecondes.



Au cours de cette thèse, nous développerons des dispositifs spécifiques faisant porter à ces impulsions un moment angulaire, qu’il soit de spin ou orbital. Ceci ouvrira de nouvelles applications mettant en jeu des spectroscopies résolues en temps ignorées à ce jour. L’accent sera mis, d’une part sur les aspects fondamentaux des couplages de moment angulaires de spin et orbitaux de la lumière dans le régime hautement non linéaire, d’autre part sur des applications de physique attoseconde, en phase diluée ou condensée. En particulier, nous chercherons à mettre en évidence des dichroïsmes hélicoïdaux, qui se manifestent par des absorptions différentes de faisceaux portant des moments angulaires orbitaux opposés. Ces effets restent très largement ignorés à ce jour.



L’étudiant(e) acquerra une pratique de l’optique des lasers, en particulier femtoseconde, et des techniques de spectrométrie de particules chargées. Il (elle) étudiera également les processus de physique des champs forts sur lesquels se basent la génération d'harmoniques élevées. Il/elle deviendra un(e) experte de la physique attoseconde. L’acquisition de techniques d’analyse approfondie, d’interfaçage d’expérience seront encouragées même si non indispensables.



Sujet complet disponible à http://iramis.cea.fr/LIDYL/Pisp/thierry.ruchon/.

Impulsions attosecondes accordables pour l’étude des dynamiques de photo-ionisation

SL-DRF-18-0844

Domaine de recherche : Interactions rayonnement-matière
Laboratoire d'accueil :

Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (LIDyL)

Attophysique (ATTO)

Saclay

Contact :

Pascal SALIERES

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2018

Contact :

Pascal SALIERES

CEA - DRF/IRAMIS/LIDyL/ATTO

0169086339

Directeur de thèse :

Pascal SALIERES

CEA - DRF/IRAMIS/LIDyL/ATTO

0169086339

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/pascal.salieres/

Labo : http://iramis.cea.fr/LIDYL/ATTO/

Voir aussi : http://attolab.fr/

Résumé :



A l’aide d’impulsions attosecondes accordables produites avec un amplificateur paramétrique optique (OPA) pompé par un laser Titane:Saphir intense (Equipement d’Excellence ATTOLab), l’étudiant(e) étudiera la dynamique d’ionisation de gaz atomiques et moléculaires près des résonances. L’objectif est de suivre en temps réel l'éjection des électrons et de mesurer comment se construit le profil des résonances.



Sujet détaillé :



Ces dernières années, la génération d’impulsions sub-femtosecondes, dites attosecondes (1 as=10-18 s), a connu des progrès spectaculaires. Ces impulsions ultrabrèves ouvrent de nouvelles perspectives d’exploration de la matière à une échelle de temps jusqu’alors inaccessible. Leur génération repose sur la forte interaction non linéaire d’impulsions laser infrarouges (IR) brèves (~20 femtosecondes) et intenses avec des gaz atomiques ou moléculaires. On produit ainsi les harmoniques d’ordre élevé de la fréquence fondamentale, sur une large gamme spectrale (160-10 nm) couvrant l’extrême ultraviolet (UVX). Dans le domaine temporel, ce rayonnement cohérent se présente comme un train d’impulsions d’une durée de ~100 attosecondes [1].



Avec ces impulsions attosecondes, il devient possible d’étudier les dynamiques les plus rapides dans la matière, celles associées aux électrons, qui se déroulent naturellement à cette échelle de temps. La spectroscopie attoseconde permet ainsi l’étude de processus fondamentaux tels que la photo-ionisation et s’intéresse à la question : combien de temps faut-il pour arracher un électron à un atome ou une molécule ’ Plus précisément : combien de temps faut-il à un paquet d’onde électronique produit par absorption d’une impulsion attoseconde pour sortir du potentiel atomique/moléculaire ’ La mesure de ces délais d’ionisation est actuellement un sujet « chaud » dans la communauté scientifique. En particulier, l’étude de la dynamique d’ionisation près des résonances permettrait d’accéder à des informations très fines sur la structure atomique/moléculaire, telles que les réarrangements électroniques dans l’ion suite à l’éjection d’un électron. Nous nous sommes récemment intéressés à l’ionisation près d’une résonance d’auto-ionisation dite « de Fano ». Nous avons montré par ionisation à 2 photons UVX+IR qu’il était possible de « voir » en temps réel la construction du profil de la résonance [2].



L’objectif de la thèse est de généraliser cette technique pour étudier d’autres types de résonances atomiques et moléculaires, telles que les résonances de forme. A cette fin, des impulsions attosecondes accordables seront générées à l’aide du rayonnement moyen-IR [1.2-2 µm] produit avec un amplificateur paramétrique optique (OPA) pompé par un laser Titane:Saphir intense. Enfin, la mesure de la distribution angulaire des électrons émis, combinée à l’information temporelle détaillée ci-dessus, permettra de reconstruire le film complet 3D de l’éjection des électrons.

Le travail expérimental comprendra la mise en œuvre d’un dispositif, installé sur le laser FAB1 d’ATTOLAB, permettant : i) la génération de rayonnement attoseconde ; ii) sa caractérisation par interférométrie quantique ; iii) son utilisation en spectroscopie de photoionisation (détection d’électrons). Les aspects théoriques seront également développés. L’étudiant(e) sera formé(e) en optique ultrarapide, physique atomique et moléculaire, chimie quantique, et acquerra une large maitrise des techniques de spectroscopie de particules chargées. Des connaissances en optique, optique non linéaire, physique atomique et moléculaire, sont une base requise.

Le travail de thèse donnera lieu à des campagnes d’expériences dans des laboratoires français (ANR CIMBAAD) et européens associés (réseau européen MEDEA : Milan, Lund).



Références :

[1] Y. Mairesse, et al., Science 302, 1540 (2003)

[2] V. Gruson, et al., Science 354, 734 (2016)

• Interactions rayonnement-matière

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