Institut des
NanoSciences de Paris
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Acoustique pour les nanosciences

Nanostructures pour la transduction acoustique terahertz

A. Huynh, B. Perrin, D. Lanzillotti Kimura, L. Belliard, S. Zhang, E. Péronne B. Jusserand, F. Pascual Winter, J.-F. Morhange

 

La disponibilité de dispositifs compacts pour la génération et la détection d’ondes acoustiques à des fréquences de l’ordre du térahertz ouvrirait de nombreuses possibilités pour la spectroscopie, l’imagerie et la physique de la propagation des vibrations dans les solides. Nous avons démontré que des empilements nanométriques de matériaux de paramètres acoustiques et acousto-optiques contrastés permettent le contrôle de paquets d’onde acoustiques cohérents, directionnels et quasi-monochromatiques à des fréquences s’approchant du THz.

Le couple GaAs/AlAs, qui permet le contrôle parfait de structures de haute qualité (collaboration A. Lemaître, LPN, Marcoussis) et la mise à profit des propriétés électroniques de ces semiconducteurs pour l’ingénierie du couplage acoustooptique mais qui présente des contrastes acoustiques limités, est étudié en coopération étroite avec l’équipe de A. Fainstein au Centro Atomico Bariloche (Argentine) et donne lieu à deux cotutelles de thèses. Le couple Mo/Si est également exploré pour ses performances acoustiques intrinsèques très supérieures (collaboration C. Jaouen, LMP, Poitiers).

L’ensemble de nos résultats expérimentaux repose sur la maîtrise d’une technique expérimentale originale dans laquelle la génération et la détection des impulsions acoustiques sont réalisées sur les faces polies opposées d’échantillons épais de plusieurs centaines de microns et qui met en jeu la propagation acoustique macroscopique à basse température.

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La première figure illustre notre premier résultat dans lequel la génération et la détection sont réalisées par des transducteurs d’aluminium et qui donne accès à la transmission large bande d’une « nanocavité » dans laquelle une couche GaAs d’épaisseur différente est insérée entre deux miroirs acoustiques GaAs/AlAs. Nous observons les pics de transmission étroits induits dans les bandes d’arrêt des miroirs par l’insertion de la cavité. L’analyse temporelle du signal cohérent mesuré permet de démontrer l’accumulation de l’énergie acoustique dans la cavité pendant des temps de l’ordre de la nanoseconde illustrant la finesse du dispositif (PRL 97 115502 (2006)).

JPEG La fréquence acoustique choisie pour les mesures ci-dessus reflète les limitations ultimes des transducteurs standard en aluminium de l’acoustique picoseconde. La seconde figure présente l’un de nos résultats obtenus en 2007 dans le cadre de l’exploration des propriétés de génération et de détection directe dans les multicouches en vue de remplacer ces transducteurs standard. Dans cette expérience, la propagation est étudiée entre un super-réseau GaAs/AlAs et une couche d’aluminium déposée au dos du substrat.

Quand la pompe femtoseconde est appliquée au transducteur, le paquet d’onde généré s’enrichit en fréquences élevées par les non linéarités de propagation dans GaAs. Des modes acoustiques repliés sont générés dans la multicouche et la modulation optique qui en résulte présente des fréquences bien définies, reflétant le vecteur d’onde de « rétrodifusion » égal au double de celui des photons sonde, et bien supérieures à celles obtenues avec un détecteur en aluminium (courbe rouge). Dans la configuration inverse de génération, des impulsions cohérentes quasi-monochromatiques sont générées avec des vecteurs d’onde nuls mais leur détection reste limitée par la coupure de l’aluminium.

Nous avons également démontré que la génération pouvait être localisée dans la couche centrale d’une nanocavité en ajustant la fréquence pompe avec les transitions quantiques de cette dernière (PRL 98 265501 (2007)) et renforcée par l’adjonction d’un miroir de Bragg photonique à l’arrière de la nanocavité acoustique (PRL 99 217405 (2007)).

Nous commençons à étudier de nouveaux échantillons où deux dispositifs acoustiques ont été épitaxées sur les faces opposées du substrat. Quand les fonctions de génération et de détection ont un recouvrement spectral optimisé, l’éfficacité devient très élevée pour un dispositif qui est intrinséquement exempt des limitations associées à l’aluminium. L’exploration du système Mo/Si se poursuit selon une ligne de recherche analogue. Les paramètres acoustiques des constituants ont été déterminés et des simulations fiables peuvent être désormais appliquées à la conception de fonctions acoustiques Des bandes interdites de très grande amplitude ont été observées en accord avec le fort contraste acoustique entre les deux matériaux. La génération de modes localisés associés aussi bien à une cavité insérée volontairement dans l’empilement qu’à la couche superficielle de silicium que présentent habituellement ces structures a été démontrée en détection arrière, et confirme les grandes potentialités de ce système malgré des largeurs de raies encore élevées associées à une maîtrise de la fabrication inférieure à celle des super-réseaux GaAs/AlAs.

 

Autre fait marquant :