FLEX : Dynamique atomique femtoseconde

Dynamiques ultrarapides dans les matériaux fortement corrélés


Les matériaux fortement corrélés sont aujourd'hui un véritable défi pour la physique moderne, à la fois d'un point de vue théorique qu'expérimental. Dans ces matériaux tous les degrés de liberté du cristal, par exemple les charges, le spin et les phonons, sont fortement couplés, et tout modification de l'état initial par une excitation extérieure produit des changements importants dans le matériau. En effet, une excitation par impulsion laser peut produire une transition de phase, où la phase finale peut être même une phase interdite à l'équilibre. Ces matériaux, par exemple les manganites et les supraconducteurs, sont donc des candidats idéaux pour l'étude de transition de phase photo-induites. Aujourd'hui, un des points clé de la physique du solide est d'en expliquer le comportement à la fois dans l'état fondamental ainsi que dans l'état excité. Les nombreuses applications technologiques, comme les transistors ultrarapides, fait croître encore plus l'intérêt de la communauté scientifique internationale autour de ces matériaux.

Au sein du groupe, nous étudions à la fois la dynamique électronique et du réseau, typiquement les phonons optiques cohérents, dans les matériaux fortement corrélés, dans le but de comprendre les processus élémentaires à l'origine des transitions de phase. Nous utilisons plusieurs techniques basées sur un schéma pompe-sonde, avec une résolution temporelle allant de 6 fs jusqu'à 50 fs. Deux types d'expériences sont mises en place : mesure de réflectivité résolue dans le temps (de l'XUV jusqu'à l'infrarouge), mesure de diffraction X et d'électrons résolue dans le temps.

En ce qui concerne les mesures de réflectivité, nous disposons de deux systèmes d'amplification paramétrique optique, permettant d'accorder indépendamment la longueur d'onde de la pompe et de la sonde de 300 nm jusqu'à 2,5 mm. Notre résolution temporelle peut être poussé jusqu'à 6 fs, donnant accès donc à la dynamique des modes de vibrations atomiques de haute fréquence. Nous avons aussi développé un système de détection capable d'atteindre un rapport signal sur bruit de 105 à 1 kHz de taux de répétition, qui est aujourd'hui l'état de l'art. De même, nous avons développé un système de sonde avec doubles impulsions pour mesurer la dynamique ultrarapide de la partie réelle et imaginaire de la fonction diélectrique, donnant accès aussi à la dynamique de la structure de bande électronique.

La figure 1 et 2 montrent deux exemples de mesure de phonon optique cohérent dans le cas d'un matériau simple, le bismuth [(Boschetto et al, PRL100, 027404 (2008)], ainsi que dans un nouveau matériau supraconducteur [Mansart et al., PRB80, 172504 (2009)]. L'étude de ces dynamiques dans plusieurs endroits du diagramme de phase permet d'explorer le rôle de chaque mouvement atomique élémentaire dans la transition de phase.


 

ENSTA CNRS Ecole Polytechnique