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Faits d’actualité

Spectroscopie Raman haute résolution et détermination du temps de vie des phonons acoustiques dans les nanocavités

Janvier 2009

La nanocavité acoustique est l’équivalent pour les phonons acoustiques de la microcavité photonique pour la lumière. La finesse d’un mode acoustique de cavité est définie par la transmission résiduelle à travers le miroir de Bragg qui la sépare du substrat. Nous avons mesuré directement la largeur spectrale de ce mode par spectroscopie Raman haute résolution (0.01 cm-1 ou 0.3 GHz ou 1.2 µeV) à l’aide d’un nouvel instrument mis au point au laboratoire et associant un étalon Fabry Perot à notre spectromètre Raman.

La spectroscopie Raman permet de mesurer les énergies des excitations de basse énergie dans les solides avec une résolution d’une fraction de cm-1, inférieure à la largeur intrinsèque de la plupart des vibrations dont le temps de vie de l’ordre de la picoseconde reflète l’anharmonicité de réseau. Les ondes acoustiques à des énergies dans la gamme du térahertz observées dans les multicouches de semiconducteurs font exception : leur temps de vie est très élevé et leur largeur inaccessible avec les dispositifs standard, même d’excellente qualité comme le spectromètre Dilor XY800 utilisé à l’INSP. Nous avons développé un nouveau système associant notre spectromètre avec un étalon Fabry Perot accordable en pression. Ce système permet de mesurer avec une résolution de l’ordre du centième de cm-1 un spectre Raman s’étendant sur une dizaine de cm-1 pourvu que l’intervalle spectral libre du Fabry Perot soit supérieur à la résolution du spectromètre.

Nous avons démontré les performances du système en mesurant la largeur d’un mode acoustique confiné dans une nanocavité [1], c’est à dire dans une couche nanométrique entourée de deux miroirs interférentiels acoustiques de haute réflectivité obtenus par empilement périodique de deux matériaux d’impédance acoustique différente. Le choix des épaisseurs des couches fixe la fréquence du mode (ici 1 THz) tandis que le nombre de périodes des miroirs en fixe la transmission résiduelle. Nous montrons dans la figure 1 les spectres Raman obtenus sur des échantillons réalisés en épitaxie par jets moléculaires au LPN dans le système GaAs/AlAs. Seul le nombre de périodes du miroir arrière varie d’échantillon en échantillon. Les spectres comprennent une raie très fine au voisinage de 1 THz accompagnée d’autres raies associées aux vibrations dans les miroirs que nous ne discutons pas ici.

Fig. 1 Spectres Raman haute résolution mesurés sur quatre cavités GaAs/AlAs à 1 THz dont le miroir arrière, séparant la cavité du substrat, comprend 4, 8, 12 ou 16 paires respectivement.

Fig. 2 Largeur du mode de cavité mesurée pour les quatre échantillons et comparée à la prédiction théorique associée au temps d’échappement

La variation de la largeur du mode de cavité confirme le concept de confinement acoustique et la possibilité d’en contrôler l’amplitude par le choix des paramètres de l’échantillon. La largeur du mode (Figure 2) est en excellent accord avec la valeur attendue pour les faibles finesses mais sature à une valeur bien supérieure pour les hautes finesses. Nous attendions un tel résultat puisque, contrairement aux photons, les phonons ont un temps de vie fini qui limite leur temps d’oscillation à l’intérieur de la cavité. Les objectifs de cette étude portaient d’ailleurs autant sur l’étude des cavités acoustiques que sur l’introduction d’une méthode de mesure du temps de vie des phonons acoustiques. Cette quantité, et sa dépendance avec l’énergie et la température, a fait l’objet de très nombreuses discussions théoriques depuis une cinquantaine d’années mais reste quasi-inexplorée du point de vue expérimental. La largeur résiduelle que nous avons observée est cependant trop grande pour être entièrement expliquée par l’anharmonicité de réseau. De plus elle varie faiblement avec la température, contrairement à ce qui est attendu.

Nous avons établi que la contribution dominante à l’élargissement résiduel est de nature inhomogène et reflète la fluctuation de la position moyenne des interfaces. Une fluctuation moyenne inférieure à 0.1 nanomètre peut expliquer nos observations. Cette conclusion pointe la difficulté à réaliser des interfaces planes à l’échelle de la longueur d’onde quand celle-ci prend des valeurs de quelques nanomètres comme dans le cas des phonons acoustiques étudiés : nous passons pour la même structure, fabriquée dans les mêmes conditions, d’une planéité de l/2000 pour les photons à l/50 pour les phonons.

[1] Confinement of Acoustical Vibrations in a Semiconductor Planar Phonon Cavity , M. Trigo, A. Bruchhausen, A. Fainstein, B. Jusserand, and V. Thierry-Mieg, Phys. Rev. Lett. 89, 227402 (2002)

Pour en savoir plus

Lifetime of THz Acoustic Nanocavity Modes
G. Rozas, M. F. Winter, B. Jusserand, A. Fainstein, B. Perrin, E. Semenova, and A. Lemaître,
Phys. Rev. Lett. 102, 015502 (2009)