Sujet de stage / Master 2 Internship

Le but du stage est d’installer et de tester un nouveau dispositif expérimental pour mesure la phase spectrale du rayonnement harmonique laser d’ordre élevé issu de l’interaction entre un laser femtoseconde et un cristal semi-conducteur dans le domaine spectral de l’ultraviolet lointain, inaccessible aux détecteurs standards.

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 le vacuum ultraviolet (VUV, 200-120nm) et l’extrême ultraviolet (EUV, 120-50 nm)) rend la mesure du profil temporel non triviale. Le groupe Attophysique du LIDYL possède l’expertise pour ce type de mesure dans l’EUV [2,3], mais le domaine VUV n’est à l’heure actuelle pas accessible. Le stage consistera à modifier un spectromètre de photoélectrons pour permettre les mesures dans cette gamme spectrale, puis à l’intégrer au sein d’un dispositif de mesure temporelle par la technique RABBITT [2]. Les premiers tests seront effectués sur des cristaux semi-conducteurs classiques. En fonction de l’avancement du stage, des échantillons présentant de très fortes corrélations entre électrons pourront être étudiés. En effet, la caractérisation temporelle de l’émission harmonique nous permettra d’étudier ces dynamiques particulières. Ce stage se déroulera sur l'installation NanoLight, un tout nouveau laboratoire du groupe DICO du LIDYL, 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)