Investigation of phase transitions triggered by laser-induced focusing shock waves

par Yevheniia Chernukha

Thèse de doctorat en Science des matériaux

Sous la direction de Thomas Pézeril, Maciej Lorenc et de Marina Servol.

Soutenue le 16-12-2019

à Le Mans , dans le cadre de École doctorale Matière, Molécules et Matériaux (Le Mans) , en partenariat avec Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans) (laboratoire) et de Institut des Molécules et Matériaux du Mans / IMMM (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Investigation de transitions de phases déclenchées par ondes de choc laser focalisantes


  • Résumé

    La capacité de certains matériaux à changer d'état fondamental sous excitation laser a ouvert un champ de recherche autour de la manipulation de leurs propriétés par la lumière. Les processus chimiques et physiques mis alors en jeu sont riches et complexes. Dans ce contexte, le rôle prédominant de la coopérativité élastique pour l’amplification et la stabilisation de la transition a été mis en évidence récemment dans un matériau à transitions de spin irradié par laser. Ces observations font apparaître la perspective de commuter de façon permanente certaines propriétés des matériaux par des ultrasons non-linéaires, des ondes de choc excitées par laser.Dans un premier temps, nous introduisons le dispositif expérimental d’imagerie mono-coup résolu en temps, associée à la technique de focalisation des ondes de chocs excitées par laser au niveau de la surface de l’échantillon. La séparation spatiale des régions irradiées par le laser et influencées par les ondes de choc propagatives permet de discerner clairement les changements du matériaux induits uniquement par les ondes de choc. Dans un second temps, nous présentons nos résultats expérimentaux en lien avec cette technique innovante, aux matériaux dont les changements de phases impliquent un changement de volume macroscopique (systèmes spin-crossover, isolants de Mott). Des analyses post-mortem des échantillons ont permis de confirmer, dans certaines conditions expérimentales, une modification permanente de la phase du matériau par action de l'onde de choc. Ces résultats ouvrent des perspectives pour la généralisation à de nombreux matériaux du phénomène de coopérativité élastique donnant lieu à des transition permanent


  • Résumé

    The ability of certain materials to change its ground state due to laser excitation has arisen a lot of opportunities for light-control of material properties. The field of photo-induced phase transitions counts a rich variety of chemical and physical processes triggered by light-matter interactions involved during the phase transition process. Recently it was reported that elastically driven cooperativity leads to the amplification of spin state in molecular crystals and prolonged the lifetime of the transient state with an ultra-short laser pulse. The cooperative response appears during the propagation of non-linear coherent strain waves, in other words shock waves, coupled with the order parameter field. Shock waves can be seen as a new challenging pathway to achieve a permanently switched state with appropriate excitations.First, we introduce time-resolved single-shot imaging combined with the laser shock focusing technique that makes it possible to generate, acoustically focus, and directly visualize under a microscope shock waves propagating and focusing along the sample surface. The spatial separation of the laser-influenced and strain-influenced regions makes it possible to disentangle the material changes produced solely by the shock waves. Second, we present experimental results involving the shock-focusing technique to materials undergoing phase transitions linked with a macroscopic change of their volume (spin-crossover systems, Mott insulators). Post-mortem analyses of the samples confirm permanent phase transition under specific experimental conditions. These innovative results open doors for a generic elastically driven cooperativity.


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