Description du sujet de thèse

La recherche dans le cadre de ce projet se concentre sur la croissance de films minces d'orthoferrite et sur les courants de spin ultrarapides photoinduits et la dynamique dans les films minces isolants d'orthoferrite et d'hexaferrite pour la conversion du courant de spin, tels que les émetteurs THz.
Dans ce projet de doctorat, des films minces à base d'oxyde de fer (orthoferrites et hexaferrites) seront étudiés pour leur potentiel à générer des courants de charge et de spin en utilisant des impulsions de pompe optique femtosecondes ultra-courtes. Le matériau pérovskite à base de fer des terres rares ciblé sera cultivé sur place à l'aide d'un système de dépôt par laser pulsé ultramoderne. Les principales caractérisations comprennent la diffraction des rayons X pour les propriétés structurelles et les propriétés magnéto-optiques dépendantes de la température pour évaluer les propriétés magnétiques de base des matériaux, telles que l'aimantation à saturation et la température de Curie. Les matériaux seront ensuite étudiés pour leurs propriétés physiques transitoires telles que l'absorption et la réflectivité en utilisant l'instrumentation disponible au laboratoire, en particulier un système de spectroscopie ultrarapide de pointe, HARPIA, commercialisé par la société LightConversion. La spectroscopie d'absorption transitoire des orthoferrites et hexaferrites de terres rares permettra de déterminer à la fois la structure de la bande électronique et la dynamique du courant de charge photoinduit. La dynamique de spin associée sera étudiée par magnéto-optique résolue en temps et par spectroscopie THz, à la fois en interne et en collaboration avec les partenaires de ce projet.
Le candidat doit avoir une bonne connaissance des propriétés optiques des solides, de l'optique/photonique et de la croissance des matériaux. Des compétences de base en physique expérimentale et en croissance des matériaux sont les bienvenues. En outre, des notions de physique de l'état solide seront également appréciées.
Le candidat travaillera avec une installation de dépôt par laser UHV, une installation de spectroscopie magnéto-optique, avec des techniques d'absorption optique résolue en temps, de spectroscopie THz et de magnéto-optique résolue en temps. Il/elle sera formé(e) à l'utilisation d'une installation de croissance PLD, à l'utilisation de lasers très intenses et ultrarapides ainsi qu'à la spectroscopie résolue dans le temps. Des compétences de base en programmation sont les bienvenues car l'installation est actuellement mise en œuvre avec Python.
Ce projet fait partie du programme d'excellence France 2030 dans le cadre du projet ANR MoxSpin faisant partie du PEPR SPIN.

Contexte de travail

Les applications dans le domaine du rayonnement THz couvrent un très large spectre allant de la surveillance de l'irrigation des cultures agricoles, du contrôle non destructif des soudures dans l'industrie automobile et s'étendent aujourd'hui aux télécommunications à haute fréquence au-delà de la 6G. Ces applications reposent sur la disponibilité de sources et de détecteurs de rayonnement THz. Très souvent, les sources et les détecteurs sont presque identiques. Mais l'utilisation du rayonnement THz nécessite également des éléments optiques actifs pour moduler l'intensité du rayonnement, le faire passer d'un canal à l'autre ou coder l'information par polarisation. Contrairement à l'optique visible ou proche infrarouge (télécommunications optiques), très peu d'éléments optiques actifs sont actuellement disponibles dans cette gamme spectrale, et le champ de recherche est largement ouvert.
Pour développer des matériaux dont les propriétés magnétiques répondent aux excitations THz, il faut se concentrer sur des matériaux présentant une anisotropie magnétique très élevée. Jusqu'à présent, les fréquences de résonance les plus élevées, proches du THz, ont été observées pour des matériaux pseudo-pérovskites à base de fer, RFeO3 avec R une terre rare [1,2], dont l'ordre magnétique varie entre l'antiferromagnétisme et le ferromagnétisme faible, en fonction de leur composition chimique. Dans un travail récent sur les matériaux d’orthoferrites TmFeO3, il a été montré que sous excitation avec des impulsions femtosecondes, non seulement des ondes de spin sont créées dans cette orthoferrite, mais aussi deux polaritons de fréquence très proche qui se couplent à des magnons [3].
Aujourd'hui, des recherches intensives sont menées dans le domaine de la conversion de spin en charge pour la création d'émetteurs THz à large bande (par exemple [4]). Le principe de fonctionnement de base est la création d'un courant de spin au moyen d'une impulsion de pompe optique femtoseconde ultra-courte dans un matériau ferromagnétique. En plaçant un métal non magnétique à forte interaction spin-orbite en contact avec le matériau ferromagnétique, ce courant de spin est transformé en courant de charge par l'effet spin-Hall inverse. Ce courant de charge est la source d'une impulsion THz à large bande. Une émission THz avec une largeur de bande spectrale comparable à celle des sources THz pulsées à base de LiNbO3 a également été démontrée pour l'oxyde de nickel antiferromagnétique [5]. Une indication de la présence d'un courant de spin photo-induit ultrarapide peut déjà être observée à partir d'une mesure de la dynamique de spin [6]. Des signaux de spin aussi forts ont été observés pour une variété d'oxydes isolants, tels que les grenats, les orthoferrites [7], les systèmes de spinelles et les hexaferrites [8]. Par conséquent, tous les oxydes peuvent générer des courants de spin photo-induits.
Encadrement:
La thèse sera supervisée par N. Keller (CNRS), O. Popova (CNRS) et R. Bertoni (Université de Rennes) pour la recherche sur la croissance PLD de films minces complexes d'oxyde magnétique, l'interaction lumière-matière résolue en temps et la dynamique de spin.
Cette thèse vise à former un doctorant à la croissance de films minces d'oxyde de la plus haute qualité possible, à la spectroscopie optique et magnéto-optique résolue en temps.
Le travail de thèse sera réalisé à l'Institut de Physique de Rennes. Notre infrastructure disponible comprend une installation de dépôt laser UHV, des installations de spectroscopie d'absorption résolue en temps, avec un système Harpia commercial de Lightconversion et plusieurs systèmes laser amplifiés pour la génération THz et les études optiques et magnéto-optiques résolues en temps.
Le candidat sera très impliqué à la fois dans la croissance de couches minces par PLD et dans le laboratoire de laser femtoseconde mis en place par l'équipe matériaux et lumière. Le travail quotidien implique de fortes interactions avec tous les membres de l'équipe travaillant dans le laboratoire laser.
Compétences et prérequis
Le candidat doit avoir une bonne connaissance de la croissance des matériaux, de l'optique et de la physique de l'état solide. Une solide expérience en spectroscopie optique et dans les techniques expérimentales connexes est également recommandée. De bonnes compétences en matière de programmation, d'interface, de traitement et d'analyse des données (si possible en utilisant Python) sont fortement appréciées. Le candidat au doctorat sera fortement encouragé à présenter ses résultats scientifiques dans des conférences nationales et internationales. L'anglais est la langue de travail de l'équipe. Nous recherchons des candidats ayant le goût du travail expérimental au sein d'une équipe interculturelle, ayant de bonnes capacités de communication et développant une approche méticuleuse avec le souci du détail.

Cadre contractuel :
Les contrats établis par le CNRS comprennent le salaire mensuel, les cotisations de retraite et ouvrent droit à une couverture sociale complète et à des indemnités de chômage. Les doctorants n'ont pas d'obligations d'enseignement à l'Université de Rennes. Rennes est une ville française de taille moyenne située à moins d'1h30 de Paris et à 1h de la côte, offrant un style de vie relaxant avec de nombreuses activités culturelles et sportives.

Le groupe de recherche :
Le candidat travaillera au sein du « Département Matériaux et Lumière » de l'Institut de Physique de Rennes et sera également membre au « Département Nanosciences et Matériaux ».
L'équipe Matériaux et Lumière est actuellement un acteur majeur du laboratoire international franco-japonais IRL DYNACOM impliquant des universités françaises et japonaises (CNRS, Université de Rennes, Université de Tokyo, Université de Tohoku) et a une reconnaissance mondiale dans le domaine de la science de l'ultra-rapide. L'environnement de travail est multiculturel et international.
Nos recherches se concentrent sur la croissance d'oxydes magnétiques fonctionnels, les phénomènes ultrarapides hors d'équilibre dans les matériaux et les molécules en utilisant des techniques optiques et de rayons X avec une résolution temporelle de la femtoseconde à la picoseconde.
De plus amples informations sont disponibles sur le site web :
https://ipr.univ-rennes.fr/en/materials-and-light-departement
Bibliographie :
[1] A. V. Kimel et al., Nature 429, 850 (2004).
[2] A. H. M. Reid et al., Appl. Phys. Lett. 106, 082403 (2015).
[3] K. Grishunin et al., ACS Photonics 5, 1375 (2018).
[4] T. S. Seifert et al., Appl. Phys. Lett. 120, 180401 (2022).
[5] E. Rongione et al., Nat Commun 14, 1818 (2023).
[6] T. Moriyasu et al., in Ultrafast Phenomena XIX, edited by K. Yamanouchi et al. (Springer International Publishing, Cham, 2015), pp. 653–656.
[7] A. V. Kimel and A. K. Zvezdin, Low Temperature Physics 41, 682 (2015).
[8] H. Ueda et al., Phys. Rev. Res. 4, 023007 (2022).


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Le candidat travaillera avec une installation de dépôt par laser UHV, une installation de spectroscopie magnéto-optique, avec des techniques d'absorption optique résolue en temps, de spectroscopie THz et de magnéto-optique résolue en temps. Il/elle sera formé(e) à l'utilisation d'une installation de croissance PLD, à l'utilisation de lasers très intenses et ultrarapides ainsi qu'à la spectroscopie résolue dans le temps.