Contrôle spatio-temporel de la génération d'harmoniques dans les semiconducteurs pour l'émission d'impulsions attosecondes

par Sven FrÔHlich

Projet de thèse en Optique et photonique

Sous la direction de Hamed Merdji et de Willem Boutu.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (laboratoire) , ATTO (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 30-09-2018 .


  • Résumé

    La nano-photonique ultrarapide est un domaine scientifique émergeant grâce aux progrès extraordinaires de la nanofabrication et des lasers ultrabref. La stimulation de champs électriques extrêmement intenses dans des dispositifs photoniques nanostructurés a le potentiel de créer des nano-sources de photons énergétiques ou de particules ouvrant de vastes applications dans la science et dans l'industrie. L'optoélectronique s'étend depuis peu au régime hautement non linéaire. Un impact récent de cette capacité de contrôler la réponse des électrons excités dans la bande de conduction par un champs fort est l'émergence de la génération d'harmoniques élevés (HHG) dans les cristaux [1-6]. Les semi-conducteurs 2D et 3D présentent des propriétés de haute mobilité électronique qui permettent de conduire de manière cohérente des courants d'électrons intenses dans la bande de conduction. Les HHG sont émis lorsque ces électrons se recombinent vers la bande de valence. Il s'agit d'un phénomène pur non-perturbatif qui se produit efficacement dans une couche de de 10 à 100 nanomètres d'épaisseur et jusqu'à une couche atomiquement mince [5,6]. Le fort courant d'électrons à partir duquel les harmoniques prennent origine peut être manipulé dans l'espace et dans le temps. Le projet de thèse se concentrera sur la forte localisation spatiale et temporelle, à l'échelle du cycle optique unique [7,8], du processus de génération d'harmoniques. Ce contrôle peut non seulement révolutionner la science attoseconde mais aussi préparer une nouvelle génération de dispositifs ultrarapides UV/visibles à des sytèmes optoélectroniques à rayons X cohérent. Basé sur l'expertise du groupe [9-12], les ressources expérimentales et théoriques du groupe, le candidat cherchera des moyens efficaces de renforcer le régime d'interaction par amplification plasmonique et confinement de champ pour la génération de sources harmoniques à l'échelle nanométrique et attoseconde dans les semi-conducteurs. Une attention particulière sera accordée aux matériaux 2D tels que le graphène, MoS2 et h-BN. La génération d'impulsions attosecondes sera également étudiée en utilisant des mesures de phase harmonique disponibles au CEA (techniques RABBITT, FROG). Nous allons également développer un échantillon original nanostructuré qui permettra de générer une impulsion attoseconde unique en se basant sur le concept du phare attoseconde. La thèse se déroulera dans l'installation NanoLight, un tout nouveau laboratoire équipé de deux sources laser: un OPCPA intense de 100kHz, quelques cycles optiques (accordable de 1,5 à 3,4 μm) et un laser fibrée à 2μm et sur les installations ATTOLAB équipées de lasers Ti: Sa CEP- stables et équipé de métrologie attoseconde. 1. Ghimire, S. et al. Observation of high-order harmonic generation in a bulk crystal. Nat. Phys. 7, 138–141 (2011). 2. Luu, T. T. et al. Extreme ultraviolet high-harmonic spectroscopy of solids. Nature 521, 498–502 (2015). 3. Ndabashimiye, G. et al. Solid-state harmonics beyond the atomic limit. Nature 534, 520–523 (2016). 4. You, Y. S., et al. Anisotropic high-harmonic generation in bulk crystals. Nat. Phys. 13, 345–349 (2017). 5. Liu H. et al. High-harmonic generation from an atomically thin semiconductor. Nature Physics 13, 262–265 (2017). 6. Yoshikawa, N., et al. High-harmonic generation in graphene enhanced by elliptically polarized light excitation. Science, 356, 736-738 (2017). 7. Hohenleuter, M. et al. Real-time observation of interfering crystal electrons in high-harmonic generation. Nature 523, 572-575 (2015). 8. Langer, F. et al., Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescale. Nature 533, 225–229 (12 May 2016). 9. Franz et al. submitted to Science Advances arXiv:1709.09153 10. Shaaran, T et al. Nano-Plasmonic near Field Phase Matching of Attosecond Pulses. Scientific Reports 2017, 7, 6356. 11. Shi, L. et al. Self-Optimization of Plasmonic Nanoantennas in Strong Femtosecond Fields. Optica 2017, 4, 1038–1043. 12. Nicolas R. et al. Plasmon-Amplified Third Harmonic Generation in metal/dielectric resonators, submitted to ACS Nano (2017).

  • Titre traduit

    Spatio-temporal control of high harmonic generation in semiconductors for attosecond pulse emission


  • Résumé

    Ultrafast nano-photonics science is emerging thanks to the extraordinary progresses in nano-fabrication and ultrafast laser science. Boosting extremely intense electric fields in nano-structured photonic devices has the potential of creating nano-localized sources of energetic photons or particles opening vast applications in science and in the industry. Optoelectronic is extending to the highly non-linear regime. A recent impact of this capability of controlling the response of above band gap electrons under strong fields is the emergence of high harmonic generation (HHG) in crystal [1-6]. 2D and 3D semiconductors exhibits properties of high electron mobility that allows to drive intense electrons currents coherently in the conduction band. HHG are emitted when those electrons recombine to the valence band. This is a pure above band gap non-perturbative phenomena which occurs efficiently in a few 10s to 100s nanometer exit layer of a crystal and down to an atomically thin layer [5,6]. The strong electron current from which HHG originate can be manipulated in space and time. The project will focus in the strong localization in space, and time, at the single optical cycle scale [7,8], of the harmonic generation process. This control can not only revolutionize attosecond science but also prepare a new generation of ultrafast visible to X-ray opto-electronic devices. Based on the CEA group expertise, experimental and theoretical resources [9-12], the fellow will seek for efficient ways to boost the interaction regime through plasmonic amplification and field confinement for the generation of nanoscale, attosecond high harmonic sources in semiconductors. A specific focus will be on 2D materials like graphene, MoS2 and h-BN. Attosecond pulse generation will also be investigated by using harmonic phase measurements available at CEA (RABBITT, FROG techniques). We will also develop an original nanostructured sample that will allow to generate an attosecond light house inside the semiconductor to isolate single attosecond burst of light. 1. Ghimire, S. et al. Observation of high-order harmonic generation in a bulk crystal. Nat. Phys. 7, 138–141 (2011). 2. Luu, T. T. et al. Extreme ultraviolet high-harmonic spectroscopy of solids. Nature 521, 498–502 (2015). 3. Ndabashimiye, G. et al. Solid-state harmonics beyond the atomic limit. Nature 534, 520–523 (2016). 4. You, Y. S., et al. Anisotropic high-harmonic generation in bulk crystals. Nat. Phys. 13, 345–349 (2017). 5. Liu H. et al. High-harmonic generation from an atomically thin semiconductor. Nature Physics 13, 262–265 (2017). 6. Yoshikawa, N., et al. High-harmonic generation in graphene enhanced by elliptically polarized light excitation. Science, 356, 736-738 (2017). 7. Hohenleuter, M. et al. Real-time observation of interfering crystal electrons in high-harmonic generation. Nature 523, 572-575 (2015). 8. Langer, F. et al., Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescale. Nature 533, 225–229 (12 May 2016). 9. Franz et al. submitted to Science Advances arXiv:1709.09153 10. Shaaran, T et al. Nano-Plasmonic near Field Phase Matching of Attosecond Pulses. Scientific Reports 2017, 7, 6356. 11. Shi, L. et al. Self-Optimization of Plasmonic Nanoantennas in Strong Femtosecond Fields. Optica 2017, 4, 1038–1043. 12. Nicolas R. et al. Plasmon-Amplified Third Harmonic Generation in metal/dielectric resonators, submitted to ACS Nano (2017).