Contacts : Bernard Jusserand (INSP), Alejandro Fainstein (CAB)

©Photothèque CNRS	Les phonons acoustiques jouent un rôle essentiel dans la plupart des propriétés électroniques et optoélectroniques des solides, en particulier des semiconducteurs. Les phonons acoustiques sont également les principaux vecteurs de la chaleur dans les isolants et les semiconducteurs.

Depuis le démarrage de notre collaboration avec l’équipe d’A. Fainstein au Centro Atomico Bariloche, nous avons eu une contribution importante au niveau international pour l’établissement des propriétés de génération et de détection acoustiques quasi monochromatiques et de leur association dans des multicouches de semiconducteurs. Le cœur du nouveau projet consiste à combiner l’ingénierie des propriétés acoustiques, photoniques et électroniques dans ces mêmes structures, en mettant toujours l’accent sur l’originalité de notre approche dans les multicouches de semiconducteurs. Tous les acteurs seront participants aux six lignes de recherche suivantes, parmi lesquelles les thèmes 1, 2 et 4 présentent le plus de nouveauté et de profondeur :

1) cavité phononique de haute finesse
2) fort couplage polaritonique
3) temps de vie
4) boîtes quantiques
5) propagation latérale guidée des phonons de cavité
6) phonons transverses acoustiques

1) cavités phononiques de haute finesse. La combinaison du confinement phononique et photonique dans des cavités qui confinent les deux ondes avec des finesses bien plus élevées que ce que nous avons considéré jusqu’à présent va être abordée. Il s’agit de dépasser les démonstrations de principe du confinement combiné et l’établissement des règles pour l’obtenir. Nous proposons d’explorer la possibilité de mettre en évidence des non-linéarités dans le couplage acousto-optique dans des structures où ce couplage sera très fortement renforcé. Pour cela, nous allons mettre à profit les développements les plus récents de la technologie des cavités photoniques qui permettent d’atteindre des finesses bien plus élevées (de l’ordre de 105) que celles que nous avons étudiées (quelques 103) jusqu’à maintenant.

2) fort couplage polaritonique. Le couplage fortement résonant entre les ondes acoustiques et les polaritons d’excitons a fait l’objet de travaux récents dans des multipuits quantiques. Nous allons étendre ces études vers des objets originaux, les superréseaux de Bragg, dans lesquels les puits quantiques sont séparés par une demi-longueur d’onde à l’énergie de l’exciton, ce qui ajoute une forte résonance photonique à l’interaction polaritonique dans un objet qui constitue une alternative périodique à la microcavité que nous étudions par ailleurs.

3) temps de vie. La réalisation et l’optimisation de transducteurs d’ondes acoustiques cohérentes dans le domaine du térahertz poursuivies ces 5 dernières années permettent désormais la détermination précise du libre parcours moyen des phonons dans une gamme d’énergie où ce type de données manquait totalement. Plusieurs problématiques sont désormais abordables. Nous proposons d’explorer des phénomènes d’absorption résonante de ces ondes acoustiques avec les niveaux d’énergie d’impuretés (dopants dans GaAs par exemple) ou de boîtes quantiques. L’identification de tels systèmes permettrait de conduire à des schémas d’amplification de phonons acoustiques et à terme à la réalisation d’un SASER. L’autre problème que nous souhaitons aborder est celui de l’effet du confinement sur les temps de vie : pour cela il convient de comparer les mesures dans les systèmes massifs qui sont en cours d’acquisition avec des mesures du temps vie de phonons en cavité. Nous avons déjà démontré que dans des cavités phononiques centrées à une fraction de térahertz la finesse était limitée par les fluctuations des interfaces et dépendait très faiblement de la température. Nous nous proposons de reconsidérer cette question en acoustique picoseconde pour des fréquences plus basses, dans la gamme de quelques GHz.

4) boîtes quantiques. Les boîtes quantiques auto-organisées insérées dans une matrice de semiconducteur constituent un système original pour l’interaction avec les phonons acoustiques, système sur lequel nous avons récemment démontré l’émission acoustique sélective d’un plan de boîtes. Nous souhaitons explorer la possibilité d’étudier l’émission d’une boîte unique et en particulier de son diagramme de rayonnement tridimensionnel spécifique. Le caractère discret des excitons dans ces structures ouvre également des possibilités intéressantes en terme de spectroscopie modulée par des photons acoustiques cohérents.

5) propagation latérale guidée des phonons de cavité. Le temps de vie très élevé des phonons acoustiques de basse énergie doit permettre l’observation de leur propagation macroscopique dans le plan des structures étudiées, en particulier quand ils sont guidés dans une cavité de haute finesse. Nous souhaitons développer des mécanismes de transduction optique adaptés à la création de phonons de vecteurs d’onde fini dans le plan à l’aide de réseaux optiques femtoseconde.

6) phonons transverses acoustiques. Nous nous sommes concentrés jusqu’à maintenant sur les phonons longitudinaux qui sont les seuls couplés à la lumière à cause de l’orientation des échantillons étudiés et de la configuration de transduction. Des études de spectroscopie Raman ont montré que des phonons TA pouvaient être couplés optiquement dans le cas de structures orientées suivant d’autres directions cristallographiques qui sont d’excellente qualité. Nous souhaitons explorer les conditions pour leur couplage efficace en acoustique picoseconde.