Master Dispositifs Quantiques - Laboratoire Matériaux et
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MASTER PHYSIQUE ET APPLICATIONS 2ème année Master Dispositifs Quantiques Spécialité Dispositifs Quantiques, Matériaux, Imagerie Proposition de stage 2009-2010 Laboratoire: Laboratoire Pierre Aigrain de l’Ecole Normale Supérieure Directeur du laboratoire: Jean-Marc BERROIR Adresse: 24 rue Lhomond, 75005 Paris Responsable(s) du stage: S. S. Dhillon et J. Tignon Téléphone: 01 44 32 35 07 / 33 54 e-mail: : [email protected]; [email protected] Dynamique des Lasers à Cascade Quantique Téra-Hertz Projet scientifique!: Introduction!: Les lasers à cascade quantique (LCQ) sont des dispositifs uniques dont le fonctionnement repose sur les transitions inter-sousbandes, transitions électroniques entre des états de puits quantiques à l’intérieur d’une même bande d’un semiconducteur. Ce concept a permis le développement de l’ingénierie de structure de bandes et la réalisation de structures laser fonctionnant à des longueurs d’onde auparavant inaccessibles, notamment dans la gamme THz où il n’existe quasiment aucune source. La gamme THz est située entre 0.1 et 30 THz environ, avec 1!THz!= 1012!Hz =!4.1 meV. (Voir Tonouchi et al, Nature Photonics 1, p 97 (2007) pour une revue). Sujet et Expériences : Le laboratoire a mis en place un système de spectroscopie THz ultra-rapide. La technique offre l’avantage de permettre la détection du champ électrique complexe de l’onde THz, avec une résolution inférieure à la picoseconde. Nous appliquons maintenant cette méthode aux LCQs afin d’obtenir des informations sur le gain et la structure quantique du dispositif. Le stage consistera à caractériser le temps de vie des excitations dans les LCQs à l’aide d’une expérience de type pompe-sonde, en utilisant des impulsions THz. Thèse!: La thèse qui pourra éventuellement suivre s’intéressera à la compréhension des mécanismes de transport dans les LCQs, incluant les effets de la dynamique des porteurs et de l’émission stimulée sur les temps de vie. D’autre part, ces renseignements seront utilisés pour la réalisation de nouvelles structures de bande, avec de nouveaux matériaux, en vue d’améliorer les performances des LCQs THz (qui ne fonctionnent encore qu’aux températures cryogéniques). Collaborations!: L’équipe collabore avec plusieurs laboratoires académiques français (Paris 7, Paris Sud, IEMN-Lille) et étrangers (Cambridge, Leeds), ainsi qu’avec un industriel (AlcatelThales). Le projet est soutenu par l’ANR (porteur –LPA). Techniques utilisées!: Expérience!: Optique, Lasers à impulsions courtes (fs), cryogénie, spectroscopie ultra-rapide. Simulation!: Structure de bande de du guide d’onde du LCQ THz (code existant) Qualités du candidat!requises : De bonnes connaissances en optique, en électro-magnétisme et en physique de solide seront appréciées Possibilité de poursuivre en thèse!? Oui Mode de financement éventuel ? : Bourse Ministérielle MASTER PHYSIQUE ET APPLICATIONS 2ème année Master Dispositifs Quantiques Spécialité Dispositifs Quantiques, Matériaux, Imagerie Proposition de stage 2009-2010 Laboratoire: Laboratoire Pierre Aigrain de l’Ecole Normale Supérieure Directeur du laboratoire: Jean-Marc BERROIR Adresse: 24 rue Lhomond, 75005 Paris Responsable(s) du stage: J. Tignon et S. S. Dhillon Téléphone: 01 44 32 33 54 / 35 07 e-mail: : [email protected] ; [email protected] Des impulsions Téra-Hertz pour étudier les excitations de spin Projet scientifique!: Introduction: Dans le contexte du transport d’information utilisant le spin (spintronique), le transport pur de spin est devenu un axe de recherche important. Dans ce cadre, les ondes de spin peuvent être utilisées pour transporter de l’information. De telles ondes ont par exemple été mises en évidence dans des puits quantiques dopés de CdMnTe, système semimagnétique modèle. Ces excitations de spin ont une énergie de l’ordre de quelques meV, soit quelques Téra-Hertz (1THz!=!10 12 Hz!=!4.1!meV). L’étude de ces excitations et de leur dynamique peut être menée par les puissantes techniques de l’optique (Raman, notamment à l’INSP). Néanmoins, un inconvénient de ces méthodes est que l’excitation optique s’effectue à une énergie très grande (1.5 eV) en comparaison de l’énergie des excitations de spin et la photo-excitation de trous supplémentaires dans la bande de valence perturbe la dynamique de l’onde de spin. Alternativement, notre équipe au LPA s’intéresse à la possibilité d’étudier ces excitations de spin à l’aide de la spectroscopie Téra-Hertz ultra-rapide, qui permet a priori d’exciter directement les ondes de spin à la bonne énergie. Sujet et Expériences : Le laboratoire a mis en place un système de spectroscopie THz ultra-rapide. La technique offre l’avantage de permettre la détection du champ électrique complexe de l’onde THz, avec une résolution inférieure à la picoseconde. Nous appliquons maintenant cette méthode à l’étude de la dynamique de spin dans des matériaux semi-magnétiques. Thèse!: Le stage pourra donner lieu à une thèse sur le même sujet. L’étudiant pourra aussi s’intéresser aux autres projets en cours d’étude dans la même équipe. Collaborations!: Sur ce sujet, l’équipe collabore en particulier avec l’INSP (UPMC). Techniques utilisées!: Optique, Lasers à impulsions courtes (fs), cryogénie, spectroscopie ultrarapide. Qualités du candidat!requises : De bonnes connaissances en optique, en électro-magnétisme et en physique de solide seront appréciées Possibilité de poursuivre en thèse!? Oui Mode de financement éventuel ? : Bourse Ministérielle MASTER PHYSIQUE ET APPLICATIONS 2ème année Master Dispositifs Quantiques Spécialité Dispositifs Quantiques, Matériaux, Imagerie Proposition de stage 2009-2010 Laboratoire: Institut Langevin - ESPCI Directeur du laboratoire: M. Fink Adresse: 10 rue Vauquelin , 75005 PARIS Responsable(s) du stage: Sylvain Gigan Téléphone: 01 40 79 45 90 e-mail: [email protected] Contrôle cohérent spatiotemporel dans les milieux complexes Projet scientifique!: La diffusion de la lumière dans un milieu diffusant, par exemple la peau ou encore un verre de lait, est en général considéré comme une perturbation inévitable et néfaste. Ce phénomène détruit en apparence, via des diffusions et des interférences multiples, tout information spatiale ou de phase contenue dans une onde laser incidente. Spatialement, cela se manifeste par l’apparition de tavelures (le « speckle », en anglais) dues aux interférences. Dans le domaine temporel, une impulsion lumineuse courte entrant dans un milieu diffusant verra sa durée allongée à cause de la multiplicité de chemins longs ou courts que la lumière peut prendre avant de sortir du milieu. D’un point de vue pratique, la diffusion limite donc fortement les possibilités d’action dans un milieu diffusant, tant pour l’imagerie que pour la manipulation optique d’objets. Néanmoins, les milieux diffusants constituent un terrain d’étude indispensable, tant pour les théoriciens que pour les expérimentateurs, à l’interface de nombreux domaines comme l’optique, la matière condensée, la physique statistique ou les systèmes chaotiques pour n’en citer que quelques-uns. La possibilité de faire varier continûment les différents paramètres, de structures totalement désordonnées (comme des suspensions dans des liquides) à totalement ordonnées (comme les cristaux photoniques), de solide à granulaire ou liquide, de simple diffusion à diffusion résonante, de milieu absorbant à milieu amplificateur, ouvrent de nombreuses voies d’exploration et d’étude de phénomènes physiques nouveaux. La diffusion multiple, phénomène hautement complexe, reste un phénomène déterministe : elle est donc en principe réversible. Le speckle est cohérent, et il est donc envisageable de le contrôler de manière cohérente. En « façonnant », ou en « adaptant » le champ incident, il est en principe possible de contrôler la propagation et de s’affranchir du processus de diffusion. Le sujet de stage (et de thèse) est de réaliser un contrôle cohérent spatio- temporel du champ incident sur un milieu diffusant, et d’appliquer cette méthode à l’imagerie et à la manipulation d’objets dans de tels milieux. Techniques utilisées!: OPTIQUE- MICROSCOPIE – SOURCES FEMTOSECONDES Qualités du candidat!requises : expérimentateur, gout pour le fondamental. Possibilité de poursuivre en thèse!? OUI!! Mode de financement éventuel ? ANR ou autres sources à définir
