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Faits d’actualité

Transduction acoustique subTHz avec des superréseaux de semiconducteurs

Décembre 2008

La réalisation d’émetteurs et détecteurs très haute fréquence reste un défi en acoustique. On utilise jusqu’au GHz les transducteurs piézoélectriques. La propagation balistique d’impulsions de chaleur a été utilisée pour étudier les phonons dans la gamme du THz mais, comme la lumière issue d’une lampe à incandescence, les ondes acoustiques ainsi émises sont incohérentes et non directives.

Une étape importante a été franchie il y a 20 ans lorsque la conjugaison des lasers femtosecondes et des techniques pompe sonde a fait naître l’acoustique picoseconde qui permet d’émettre et détecter des impulsions acoustiques de quelques picosecondes au contenu en fréquences inférieur à 200GHz. Nous montrons que l’on peut dépasser ces limites en utilisant des nanostructures en guise de transducteurs ; des ondes acoustiques au-delà du THz et de longueur d’onde nanométriques ont ainsi été détectées.

La configuration classique en acoustique picoseconde est de produire une onde acoustique en focalisant une impulsion laser femtoseconde pompe sur un film opaque déposé sur l’échantillon. Les phénomènes acoustiques résultants sont ensuite détectés au même endroit grâce à une impulsion sonde retardée. Cette approche a permis de mettre en évidence des oscillations de très hautes fréquences dans les nanostructures. Ces vibrations sont liées au confinement des ondes acoustiques et correspondent à des modes résonants, des modes repliés ou localisés s’il s’agit de superréseaux. Une bonne compréhension des mécanismes de génération et de détection de ces modes est désormais atteinte mais il restait à démontrer que ces nanostructures pouvaient efficacement émettre de l’énergie acoustique vers le substrat ou à l’inverse que de tels objets pouvaient détecter un champ acoustique incident.

Nous avons donc utilisé une configuration originale en transmission permettant ainsi un découplage des mécanismes de génération et de détection. L’impulsion pompe après interaction avec la nanostructure génère une onde acoustique, qui se propage à travers le substrat épais, et est détectée à l’arrière de l’échantillon avec l’impulsion sonde focalisée sur un film métallique déposé sur le substrat. En inversant les faisceaux lasers (pompe sur le film, sonde sur la nanostructure), on se sert du film métallique comme émetteur avec un spectre enrichi par la propagation non linéaire pour tester les propriétés détectrices de la nanostructure (cf. fig.1a). Cela impose de travailler à basse température pour que le libre parcours moyen des phonons soit suffisant afin que ceux-ci traversent le substrat.

Les objets étudiés sont des superréseaux de semiconducteurs, multicouches formées par alternance de deux matériaux différents. La périodicité a pour conséquence le repliement de la courbe de dispersion des phonons acoustiques avec ouverture de gaps. Dans un milieu (semi)-transparent, la contrainte initiale suit le profil d’énergie déposée par l’impulsion pompe, et seuls les modes acoustiques avec un vecteur d’onde, q, nul sont excités. Ainsi des ondes quasi monochromatiques ont pu être générées jusqu’à 200GHz.

Comme dans toute expérience de couplage photon-phonon, le processus de détection fait intervenir une règle de conservation sur les vecteurs d’onde. Seuls les modes de phonons qui satisfont q = 2 k (k : vecteur d’onde de la lumière) seront détectés. Les modes repliés vont donc être couplés à la lumière si les coefficients photoélastiques des deux matériaux sont différents. On détecte ainsi des modes de fréquence élevée de manière sélective et avec une sensibilité accrue. Nos résultats les plus récents (fig. 1) ont permis de détecter des ondes jusqu’à 1.2 THz.

(a) Principe de l’expérience : une impulsion acoustique est générée par le film d’aluminium après interaction avec l’impulsion pompe, se propage dans le substrat et se déforme peu à peu sous les effets dispersifs et non-linéaires du matériau. Elle est détectée par l’impulsion sonde via le superréseau comme détecteur.
(b) Spectre détecté sur un superréseau, montrant que les fréquences détectées correspondent à la règle de sélection. Les modes en q=0 sont aussi excités. En gris est reporté le spectre détecté par un film d’aluminium dans les mêmes conditions.

Pour en savoir plus

Subterahertz monochromatic acoustic wave propagation using semiconductor superlattices as transducers
A. Huynh, B. Perrin, N. D. Lanzillotti-Kimura, B. Jusserand, A. Fainstein, and A. Lemaître Phys. Rev. B 78, 233302 (2008)
A. Huynh et al. Phys. Rev. Lett. 97, 115502 (2006)