Photoinduced precursors and insulator-metal transition in quantum materials probed by time-resolved optical spectroscopy and at the nanometric

Photoinduced precursors and insulator-to-metal transition in quantum materials probed by time-resolved and nanoscale optical spectroscopy

• Auteur / Autrice : Yousra Mazloum
• Direction : Vinh Ta-phuoc, Maciej Lorenc
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en Matériaux, Microélectronique, Acoustique et Nanotechnologies

Mots clés

Mots clés libres

Physique de la matière condensée

Optique ultra-rapide

Microscopie s-SNOM

Transitions de phase

Matériaux quantiques

Condensed matter physics

Phase transitions

S-SNOM microscopy

Ultrafast optics

Quantum materials

Résumé

Dans cette thèse, nous souhaitons aborder spécifiquement les mécanismes de déformation mécanique non-thermique en jeu lors de la transition isolant-métal (IMT) induite par la lumière dans certains matériaux quantiques. Nous baserons notre approche sur l'établissement ultrarapide de contraintes élastiques avec une impulsion laser femtoseconde. Nous proposons de développer ce concept en nous concentrant sur l'idée de déclencher une IMT induite par déformation ultrarapide. À cette fin, nous nous concentrerons principalement sur des matériaux présentant un changement de volume important lors de l'IMT, avec et sans rupture de symétrie, tels que le V2O3 et le Ti3O5 [5]. Nos résultats récents, obtenus par spectroscopie optique ultrarapide à Rennes et à Sendai (Japon), et par spectroscopie optique à large bande et haute pression à Tours, révèlent des changements non triviaux sur des cristaux et des films minces de V2O3 et Ti3O5. Nous souhaitons profiter de cette opportunité pour développer une spectroscopie optique complète des matériaux quantiques, en particulier dans le domaine des transitions de phase photo-induites. Cela nécessitera une combinaison d'outils expérimentaux complémentaires, fonctionnant en conditions d'équilibre et en régime pompe-sonde hors équilibre, sur un large spectre allant des THz à l'infrarouge. L'objectif principal de cette thèse est d'explorer la voie entre les effets précurseurs microscopiques précoces (sub-picoseconde) et la transformation de phase macroscopique induite par les ondes de déformation à des temps plus longs (dizaines de picosecondes) dans la classe sélectionnée de matériaux quantiques. Le principal défi réside dans la discrimination entre les précurseurs structurels et électroniques qui amorcent la transition, et la croissance de l'ordre à longue distance. Nous utiliserons plusieurs sondes directes pour suivre la dynamique électronique et structurelle, telles que la réflectivité résolue dans le temps, l'énergie et l'espace, ainsi que la réflectivité à large bande en fonction de la température et de la pression. GREMAN et IPR disposent de systèmes VIS-IR/THz pleinement opérationnels qui peuvent accueillir ce projet de thèse. Un microscope optique à champ proche (SNOM) nouvellement acquis sera utilisé à Tours pour cartographier les effets précurseurs locaux avec une résolution spatiale nanométrique. Le doctorant contribuera à l'amélioration du SNOM pour des mesures résolues dans le temps. À Rennes, l'IPR est actuellement en train de mettre à niveau un système permettant la microscopie-spectroscopie pompe-sonde qui devrait permettre de cartographier la séparation et la croissance de phase en temps réel. Cette thèse bénéficiera des collaborations établies au sein du Laboratoire International de Recherche IRL ''DYNACOM'' [https://tokyo.cnrs.fr/cooperation-japon/dynacom/], tant en termes de matériaux quantiques innovants que d'expériences uniques. Par exemple, le Ti3O5 sera synthétisé à l'Université de Tokyo, et la spectroscopie optique sub-10 fs pour capturer les premiers précurseurs (polaron photo-induit) sera disponible à l'Université de Tohoku. Le V2O3 sera synthétisé à l'IMN (Nantes). De plus, cette thèse bénéficiera du soutien en personnel et financier de l'ANR FASTRAIN (IMN, IPR, GREMAN, ESRF).

In this PhD, we want to address specifically nonthermal mechanical strain mechanisms at play during photoinduced insulator to metal transition (IMT) in select quantum materials. We will hinge our approach on the ultrafast setting of elastic stresses with a femtosecond laser pulse. We propose to develop this concept by focusing on the idea of triggering ultrafast strain-driven IMT. To this end, we will focus primarily on materials exhibiting large volume change at the IMT, with and without symmetry breaking, such as V2O3 and Ti3O5 [5]. Our recent results by utilizing ultrafast optical spectroscopy in Rennes and in Sendai (Japan), and broad bandwidth high pressure optical spectroscopy in Tours, reveal non-trivial changes on crystals and thin films of V2O3 and Ti3O5. We would like to use this opportunity to endeavour in developing a fully-fledged optical spectroscopy of quantum materials, in particular in the topical area of photo-induced phase transitions. This will require a combination of complementary experimental tools, operating at equilibrium conditions and non-equilibrium pump-probe regime, across broad THz and infrared spectrum. The grand objective of this PhD is to explore the pathway between the early (sub-picosecond) microscopic precursor effects and the macroscopic phase transformation driven by strain waves at longer time (tens of picoseconds) in the selected class of quantum materials. Key challenge resides in discriminating between structural and electronic precursors seeding the transition, and the growth of long-range order. We will use several direct probes to follow both electronic and structural dynamics, such as time-, energy- and spatially-resolved reflectivity, as well as temperature and pressure dependent steady state broadband reflectivity. GREMAN and IPR have fully operating VIS-IR/THz setups that can host this PhD project. A newly acquired Scanning Near-field Optical Microscope (SNOM) will be used in Tours to map local precursor effects with nanometric-spatial resolution. The PhD will contribute to upgrade SNOM to time-resolved capability. In Rennes, IPR is currently upgrading to a setup affording pump-probe microscopy-spectroscopy that should allow mapping phase separation/growth in real time. The PhD will benefit from collaborations established within the International Research Laboratory IRL ''DYNACOM'' [https://tokyo.cnrs.fr/cooperation-japan/dynacom/], both in terms of innovative quantum materials and unique experiments. For example, Ti3O5 will be synthesised at Tokyo University, and sub-10 fs optical spectroscopy for capturing early precursors (photo-induced polarons) will be available at Tohoku University. V2O3 will be synthesised at IMN (Nantes). In addition, this PhD will benefit from the manpower and the financial support of the ANR FASTRAIN (IMN, IPR, GREMAN, ESRF).