Emission infrarouge unidimensionnelle ´

Toutes les ´emissions d´ecrites ci-dessous peuvent ˆetre d´ecrites `a l’aide de la fonction de r´eponse Ξ(2)_(−ω

2,ω3) de l’´equation 1.46. Ces ´emissions infrarouges proviennent d’une excita-

tion visible de l’´echantillon ´etudi´e par une impulsion issue de notre oscillateur Ti:Sa (2.1.1). Les amplitudes et phases spectrales pr´esent´ees ont ´et´e d´etect´ees par interf´erom´etrie tem- porelle (2.1.2) grˆace `a une impulsion de r´ef´erence obtenue par redressement optique d’une impulsion visible femtoseconde dans du GaAs (2.1.2).

´

Emission dans un cristal avec accord de phase La figure 1.29 donne le spectre obtenu dans un cristal `a l’accord de phase16. Chacune des fr´equences ω0₁ qui composent le spectre

15 20 25 30 35 40 45 50 Fréquence [THz]

Amplitude [u.a.]

Fig. 1.29 – Spectre infrarouge d’un ´echantillon de 500 µm d’AgGaS2 ,

excit´e par une impulsions de 16 fs `a 800 nm.

est obtenue par diff´erence de fr´equences entre des fr´equences du spectre de l’impulsion vi- sible excitatrice. La relation d’accord de phase impose cependant que seules certaines des paires de fr´equences visibles dont la diff´erence fait ω0

1 seront effectivement utilis´ees pour la

g´en´eration infrarouge. La carte bidimensionnelle d’une telle ´emission permettrait de corr´eler les fr´equences visibles absorb´ees avec les fr´equences infrarouges ´emises.

´

Emission coh´erente d’une nanostructure `a puits quantique La figure 1.30 donne

les ´emissions de deux structures `a puits quantiques dont la croissance a ´et´e effectu´ee `a TRT (Thal`es Research Technology), France. A gauche, une structure de 100 puits asym´etriques compos´es de 4.6 nm de Ga0.9In0.1As et de 5.4 nm de GaAs entre des barri`eres d’AlAs

(QW1568). A droite, une structure de 100 puits asym´etriques compos´es de 2.2 nm de

Ga0.77In0.4As et de 1.9 nm de GaAs entre des barri`eres de Ga0.6Al0.4As (QW1593). Une excita-

tion femtoseconde dans la premi`ere structure cr´ee une superposition de niveaux ´electroniques `

a l’origine de l’´emission. Dans la seconde nanostructure, c’est une superposition de niveaux

Délai τ1[fs] -500 0 500 5 6 7 Am plitude [V] 10 20 30 40 50 0 0.5 1 Fréquence [THz] Am plitude [ u.a.] Phas e/10 [rad.] A φ 10 20 30 40 50 0 0.5 1 Am plitude [ u.a.] Phase/100 [rad.] A φ Fréquence [THz] QW1568 : Ga0.9In0.1As/GaAs/AlAs QW1593 : Ga0.77In0.4As/GaAs/Ga0.6Al0.4As

Paquets d’onde de trous Paquets d’onde d’électrons

Fig. 1.30 – ´Emission infrarouge de structures `a puits quantiques asym´etriques. L’excitation cr´ee des paquets d’ondes `a l’origine de l’´emission infrarouge. Pour les donn´ees de gauche (QW1568) il s’agit de paquets d’onde ´electroniques, pour les donn´ees de droite correspondant au puits (QW1593) dont la structure de bande est donn´ee figure 1.31, on excite des paquets d’ondes de trous. En haut `a gauche : interf´erogramme repr´esentant la corr´elation de l’´emission avec une impulsion de r´ef´erence engendr´ee dans GaAs (cf. 2.1.2). En bas `a gauche : Amplitude (A) et phase (ϕ) spectrales de l’´emission du puits Ga0.9In0.1As/GaAs/AlAs. A

droite : Amplitude (A) et phase (ϕ) spectrales de l’´emission du puits Ga0.77In0.4As/GaAs/Ga0.6Al0.4As.

de trous qui est excit´ee suivant le sch´ema de la figure 1.31. R´ealiser le contrˆole coh´erent de l’´emission de ces nanostructures `a puits quantiques asym´etriques `a l’aide d’une s´equence de deux impulsions verrouill´ees en phase (cf. 1.4.1) permettrait de d´eduire de l’´emission la r´eponse non-lin´eaire du second ordre des puits. Cette r´eponse est bien entendu li´ee `a la structure de bandes des puits.

Un peu de biologie La bact´eriorhodopsine est une prot´eine bact´erienne dont une mol´ecule, le r´etinal, a la propri´et´e de s’isom´eriser apr`es une excitation lumineuse. De nombreuses mol´ecules dont la rhodopsine, pr´esente dans l’œil humain, contiennent cette mol´ecule aux propri´et´es photochimiques. La r´eaction d’isom´erisation du r´etinal (R) dans la rhodopsine est repr´esent´ee figure 1.32. Dans la bact´eriorhodopsine le r´etinal (bR) passe d’une conformation trans `a une conformation 13-cis apr`es une excitation lumineuse. La bact´eriorhodopsine est quasi-transparente `a 800 nm alors que le pic de son spectre d’absorption est `a 560 nm. Nous avons utilis´e des ´echantillons r´ealis´es dans le groupe de G.Groma17. Ce sont des films de mol´ecules de Bact´eriorhopsine d´epos´ees sur une ´electrode de Germanium et orient´ees sous

k E(k)

HH1 HH2 LH1

Vecteur d’onde [A] 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 Energie [meV] QW1593 : Ga0.77In0.4As/GaAs/Ga0.6Al0.4As

Fig. 1.31 – Sch´ema de l’excitation de paquets d’ondes de

trous par une impulsion femtoseconde dans un puits quantique Ga0.77In0.4As/GaAs/Ga0.6Al0.4As dont la structure de bande est donn´ee

` a droite. 600 1000 1400 1800 Fréquence [cm-1_] 10 15 20 25 30 35 40 45 Fréquence [THz ] Emission Br (exc. 800 nm)

R

Emission Br (exc. 560 nm) Emission Ge (exc. 800 nm)

Fig. 1.32 – En haut : r´eaction d’isom´erisation du r´etinal (R) : passage de la conformation cis `a la conformation trans. En bas `a gauche : Spectres d’´emission de la bact´eriorhodopsine apr`es une excitation (exc.) visible hors r´esonance et spectre d’´emission du substrat de Germanium de l’´echantillon orient´e. En bas : Spectres d’´emission de la bact´eriorhodopsine apr`es une excitation visible hors r´esonance (800 nm) et `a r´esonance (560 nm). Le spectre `a r´esonance a ´et´e obtenu par Jean-Christophe Lambry et Marten Vos, LOB.

un champ ´electrique. L’orientation des mol´ecules permet d’obtenir un ´echantillon non cen- trosym´etrique. Les spectres d’´emission apr`es des excitations `a ces deux longueurs d’onde font apparaˆıtre des composantes ´etroites spectralement autour de 33 THz. L’exploration de ces structures par des m´ethodes bidimensionnelles permettrait de faire la part entre ´emission vibrationnelle et absorption `a un ou `a deux photons.

Oscillation d’un paquet d’ondes ?

La spectroscopie multidimensionnelle et ceux qui la pratiquent se trouvent au confluent de deux langages et de deux disciplines : l’optique non-lin´eaire et la physique mol´eculaire. L’une est plutˆot tourn´ee vers les outils (le champ ´electrique et la spectroscopie non-lin´eaire optique), l’autre vers les syst`emes ´etudi´es (mol´ecules, puits quantiques). Comme nous avons essay´e de le faire apparaˆıtre dans ce premier chapitre, l’optique non-lin´eaire fournit en effet un formalisme tr`es g´en´eral qui permet de d´ecrire sans ambigu¨ıt´e la r´eponse d’un ´echantillon (physique, biologique, etc.) donn´e avec les bonnes variables. Une d´emarche int´eressante mais ambitieuse consiste `a effectuer le mouvement inverse, c’est-`a-dire `a utiliser cette r´eponse non-lin´eaire (le spectre bidimensionnel) pour remonter `a une information microscopique. La physique mol´eculaire permet parfois, comme nous l’avons illustr´e dans la section 1.3, de relier cette r´eponse non-lin´eaire aux niveaux d’´energie, `a des interactions ´el´ementaires, . . . .

Ce travail ´etudie l’´emission infrarouge de divers ´echantillons en empruntant tantˆot `a l’un tantˆot `a l’autre de ces domaines. L’optique non-lin´eaire est bien adapt´ee pour d´ecrire l’´emission de GaAs, GaSe (section 2.1.2) ou AgGaS2 (section 3.2.3) que l’on peut rapprocher

de l’´emission terahertz par s´eparation de charges virtuelles (voir figure 2.6). A l’inverse,

le recours `a des oscillations de paquets d’ondes figures 1.8 et 1.26 pour d´ecrire l’´emission de mol´ecules ou de nanostructures `a puits quantiques est plus proche de l’´emission du type

s´eparation de charges r´eelles [75–77] dans le domaine terahertz.

Ces deux points de vue peuvent ˆetre r´econcili´es en consid´erant l’´emission par s´eparation de charges virtuelles comme l’excitation hors r´esonance d’un paquet d’ondes. En pr´esence d’une excitation lumineuse, le m´elange entre l’´etat fondamental et l’´etat excit´e r´esulte en un d´eplacement de la fonction d’onde de l’´etat fondamental, comme indiqu´e figure 1.33.

La demi-oscillation ultrarapide du retour du paquet d’ondes d´eform´e `a l’´equilibre est `a l’origine de l’´emission infrarouge large-bande d´ecrite section 2.1.2. Cette image est valide dans le cas o`u l’impulsion excitatrice est assez ´etroite spectralement pour ne pas induire une excitation Raman d’une superposition de deux niveaux vibrationnels n=0 et n=1. L’image finale comporte deux types d’´emissions : une ´emission non r´esonnante, ´electronique et large- bande et une ´emission r´esonnante, vibrationnelle, qui peut comporter des structures d’autant plus fines que les temps de d´ephasage associ´es aux coh´erences excit´ees sont longs.

La spectroscopie multidimensionnelle peut aider `a attribuer des structures fines dans un spectre d’´emission tel que celui de la figure 1.32 `a des coh´erences ou `a de l’absorption.

niveau électronique excité

ν

=0

n

=0

n

=1 Émission

large bande ω _Excitation

Émission « étroite » Raman

niveau électronique fondamental

Fig. 1.33 – Emission large-bande infrarouge r´esultant de l’excitation hors r´esonance d’un paquet d’ondes. Encadr´e : excitation Raman par une im- pulsion tr`es (extrˆemement) large bande d’une coh´erence vibrationnelle ρ10

´

emettant une raie fine autour de ω10, o`u n=0 et n=1 sont deux niveaux

vibrationnels.

Dans le document Spectroscopie femtoseconde cohérente bidimensionnelle dans l'infrarouge (Page 59-63)