Domaine, spécialité : Physique de la matière condensée
Mots-Clés :
Spectroscopie, Terahertz, Supraconductivité, Cavité
Unité d’accueil : LSI / NEE
Résumé
Les interactions fortes lumière-matière entre les matériaux quantiques et le champ du vide des cavités aux fréquences TeraHertz (THz) émergent comme une nouvelle frontière pour le contrôle des propriétés des matériaux. Parmi les matériaux quantiques, les supraconducteurs (SC) occupent une place particulière et une question d’actualité s’est posée concernant la possibilité d’accorder leurs propriétés spectaculaires en « habillant » leurs modes collectifs avec des photons de cavité THz.
Dans ce stage, nous proposons d’étudier les modes collectifs de NbSe2, un supraconducteur exotique présentant simultanément un état SC et un état d’onde de densité de charge (CDW). Un intérêt particulier sera d’étudier la dynamique de son mode de Higgs, un analogue du boson de Higgs dans les SCs, et son interaction avec le mode CDW. Cet objectif peut être atteint en combinant la spectroscopie THz dans le domaine temporel à l’équilibre et la spectroscopie THz pompe-sonde. Les premières étapes vers l’intégration de ce SC à l’intérieur de cavités THz et l’habillage de ses modes collectifs seront réalisées.
Sujet détaillé
Contexte : Le contrôle des propriétés d’un matériau par la lumière est un domaine émergent dont les applications peuvent être d’une grande portée. Dans ce domaine, l’amélioration ou la modification de la supraconductivité (SC) occupe une place particulière depuis la découverte d’un état supraconducteur dans plusieurs matériaux bien au-delà de leur température d’équilibre SC
- La première consiste à piloter les modes collectifs à l’aide d’impulsions lumineuses résonantes, généralement dans la gamme de fréquences THz. Ceci peut modifier dynamiquement les propriétés des SC, telles que le potentiel d’appariement, et permet d’explorer de nouvelles régions du paysage d’énergie libre inaccessibles par des moyens statiques.
- La deuxième voie consiste à habiller les modes collectifs des SC avec des fluctuations du vide par le biais d’un fort couplage lumière-matière dans des cavités THz [3,4]. Ceci doit permettre d’exploiter des états hybrides lumière-matière pour créer de nouvelles phases d’équilibre de la matière sans pilotage externe.
Programme de recherche
Dans ce projet de stage de Master 2, nous proposons de développer une méthode pour effectuer la spectroscopie sur des matériaux 2D à l’échelle du micromètre au-delà de la limitation actuelle de la diffraction de la spectroscopie THz standard. Cette nouvelle technique utilise la génération et la détection « sur puce » d’impulsions THz et permettra au candidat d’étudier le NbSe2, un SC exotique hébergeant simultanément un SC et un état d’onde de densité de charge (CDW). Les échantillons de NbSe2 seront progressivement exfoliés et mesurés jusqu’à la limite ultime de la 2D monocouche.
Cette étude ouvrira la voie à une thèse de doctorat pour laquelle le candidat mettra en œuvre la spectroscopie THz pompe-sonde « sur puce », en étudiant la dynamique et l’interaction des modes Higgs et CDW lorsqu’ils sont éloignés de l’équilibre et la possibilité d’induire des états SC métastables à longue durée de vie dans ce système. Le projet de thèse visera en outre à habiller ses modes collectifs via l’intégration de ce SC à l’intérieur de cavités THz afin de créer des états de matière hybrides lumière-SC et d’explorer leur impact sur les propriétés du SC.
[3] Garcia-Vidal et al. Science 373, 6551 (2021).
[4] Raines et al. Physical Review Research 2, n(2020) : 013143.
Environnement
Le groupe d’accueil Nouveaux Etats Electroniques (NEE) est expert en dynamique à l’équilibre et hors équilibre des supraconducteurs. L’étudiant utilisera un système laser amplifié de KiloHertz fournissant des impulsions femtosecondes de 5 mJ. Un spectromètre THz standard et des cryostats optiques sont installés et fonctionnent régulièrement. Les superviseurs Yannis Laplace et Romain Grasset ont une grande expérience dans la conception et la fabrication de cavités THz et dans la spectroscopie THz des supraconducteurs.
Lieu du stage
École Polytechnique, Palaiseau, France
Conditions de stage
- Durée du stage : 5 mois
- Niveau d’étude requis : Bac 5
- Formation : Master 2
- Poursuite possible en thèse : Oui
- Date limite de candidature : 31 décembre 2024
Compétences requises
Langue : Anglais