Terahertz emission spectroscopy of multiferroic bismuth ferrite : insights into ultrafast currents and phonon dynamics

Spectroscopie d émission Térahertz du ferrite de bismuth multiferroïque : aperçus sur les courants ultra-rapides et la dynamique des phonons La technologie térahertz (THz) a suscité un intérêt significatif dans la communauté scientifique en raison de sa position unique dans le spectre électromagnétique, complétant le gap entre les régions des micro-ondes et de l'infrarouge. Cette radiation est non ionisante et peut pénétrer divers matériaux sans les endommager, ce qui la rend très attirante pour de nombreuses applications potentielles. Les avancées récentes dans la technologie des lasers ultra-rapides ont élargi l'exploration du rayonnement THz à un large éventail de technologies passionnantes. Elle est désormais utilisée dans des domaines tels que la médecine pour de nouvelles techniques d'imagerie, en spectroscopie pour l'analyse des matériaux, dans les technologies de l'information et de la communication pour le transfert de données plus rapide, et même dans la sécurité, l'agriculture, le contrôle de qualité et la science des matériaux fondamentaux.Par conséquent, le développement de sources THz efficaces et réglables est devenu un défi au sein de la communauté THz pour développer davantage ces applications, motivant l'exploration de nouveaux matériaux et mécanismes d'émission THz. Dans mon projet de doctorat, j'ai exploré un nouvel émetteur THz : le matériau multiferroïque le plus connu, le ferrite de bismuth (BiFeO3). Ce matériau multiferroïque est particulièrement intéressant en raison de ses propriétés multiferroïques distinctives. Le BiFeO3 présente à la fois une large polarisation ferroélectrique et un ordre antiferromagnétique à température ambiante, offrant une interaction unique des ordres ferroélectriques et magnétiques et faisant de ce matériau un candidat prometteur pour la génération de THz.En utilisant un montage de spectroscopie d'émission THz que j'ai construit, avec sa détection électro-optique, j'examine l'émission THz de trois échantillons de BiFeO3 distincts. Le premier avec une polarisation dans le plan, un autre avec une polarisation hors plan, et un troisième présentant deux domaines avec deux différentes orientations de polarisation. Cette technique permet l'observation et l'analyse directes du rayonnement THz émis par ces échantillons suite à l'excitation laser au-dessus du gap.Les études expérimentales impliquent une analyse détaillée des signaux THz émis par les échantillons de BiFeO3 dans des conditions expérimentales variées. En variant les longueurs d'onde de la pompe, les orientations des échantillons, les directions de polarisation de la lumière de la pompe, et la puissance de la pompe, nous pouvons explorer comment ces facteurs influencent l'émission THz. Ensuite, nous séparent la dynamique ultra-rapide des porteurs (courant ultra-rapide) et les vibrations du réseau (phonons optiques) contribuant à ce signal THz émis. Enfin, en analysant leur réponse aux changements des paramètres expérimentaux, nous pouvons approfondir notre compréhension des mécanismes physiques contribuant à ces dynamiques ultra-rapides et à l'émission THz dans BiFeO3.