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Univ. Paris-Saclay

Sujet de stage / Master 2 Internship

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Caractérisation temporelle des dynamiques électroniques attosecondes dans les cristaux pour l'électronique petahertz

Spécialité : OPTIQUE / Interaction laser-matière

Contact : BOUTU Willem,
e-Mail : willem.boutu@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 51 63
Laboratoire : LIDYL/ATTO

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-5 mois
Date limite de constitution de dossier : 31/05/2021

Résumé :
L'objectif du stage est d'étudier les dynamiques électroniques ultrarapides au sein de cristaux semiconducteurs lors de l'interaction avec un champ laser femtoseconde intense. Il s'agira plus particulièrement d'obtenir la structure temporelle attoseconde de l'émission harmonique résultante, signature directe de ces dynamiques.

Sujet détaillé :
Utiliser la lumière afin de contrôler le mouvement des électrons au sein d’un semiconducteur ouvre la voie vers l’optoélectronique petahertz, c’est-à-dire la fabrication de dispositifs électroniques commutant 1000 fois plus rapidement que les transistors les plus rapides actuellement. En effet, dans un cristal semiconducteur ou diélectrique, l’excitation des électrons de valence vers la bande de conduction crée des porteurs de charge qui peuvent transporter du courant électrique au sein de dispositifs électroniques. En utilisant une lumière laser intense, ces porteurs peuvent être accélérés au sein des différentes bandes électroniques, à volonté et de façon réversible. En mettant en forme le champ électromagnétique du laser à l’échelle du cycle optique, ces processus peuvent être contrôlés à l’échelle de l’attoseconde (1 attoseconde = 10^{-18} seconde).
Lorsque ces électrons accélèrent sous l’effet du champ fort dans les bandes de conduction ou se recombinent vers la bande de valence un rayonnement de courte longueur d’onde est émis. Dans le domaine spectral, ce rayonnement cohérent est constitué des harmoniques d’ordre élevé du rayonnement incident [1]. Dans le domaine temporel, cela correspond à une émission d’impulsions ultrabrèves, a priori attosecondes, bien que cette mesure n’ait pas encore été réalisée à ce jour. Le rayonnement harmonique est une conséquence directe des dynamiques électroniques dans le champ laser. Caractériser temporellement l’émission harmonique permettrait par conséquent de déduire précisément la dynamique des électrons, notamment en différenciant les processus intra et inter-bandes. Cependant, le domaine d’émission de ce rayonnement (dans l’ultraviolet extrême, c’est-à-dire entre 100 et quelques 10s de nanomètres) rend la mesure du profil temporel non triviale. Basé sur l'expertise du groupe Attophysique du LIDYL [2,3], le stage consistera à mettre en œuvre un dispositif de mesure temporelle par la technique RABBITT, adapté aux spécificités de la génération d’harmoniques dans les cristaux. En outre, il s’agira d’étudier les dynamiques électroniques de matériaux présentant de très fortes corrélations entre électrons. Ainsi, un cristal de VO2 présente une transition ultrarapide entre une phase isolante et une phase métallique, laquelle peut être induite optiquement. La caractérisation temporelle de l’émission harmonique nous permettra là aussi d’étudier ces dynamiques particulières. Ce degré de liberté et de contrôle supplémentaire fait de cette catégorie de matériaux des candidats sérieux pour de futurs dispositifs électroniques petahertz. Ce stage se déroulera sur l'installation NanoLight, un tout nouveau laboratoire du groupe Attophysique, équipé notamment d’un nouveau système laser, un OPCPA intense de 100kHz, délivrant des impulsions de quelques cycles optiques dans l’infrarouge rouge proche.
[1] Ghimire et al., Nature Physics 7, 128 (2011)
[2] Mairesse et al., Sciences 302, 1540 (2003)
[3] Boutu et al., Nature Physics 4, 545 (2008)
Techniques utilisées au cours du stage :
optique XUV, RABBITT, spectroscopie de photoélectrons

Mots clés : physique attoseconde, génération d'harmoniques d'ordre élevé, semiconducteur

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