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Sciences Advances
Suivi temporel et spatial de la déformation et de la modulation de la polarisation induites par la lumière ultra-rapide dans un film mince ferroélectrique
Les matériaux ferroélectriques sont des matériaux essentiels pour de nombreux capteurs, notamment électro-mécaniques (transducteurs, nanomoteurs, actuateurs). Ils puisent leur richesse dans le couplage entre l’ordre polaire (polarisation) et la déformation mécanique au travers de l’effet piézoélectrique (direct – inverse). Pour aller vers les technologies THz, sur lesquelles notamment les technologies de l’information et de la communication (TIC) travaillent depuis quelques années, il devient crucial de connaître et manipuler à l’échelle de la picoseconde les déformations des mailles cristallines de ces matériaux ferroélectriques et la polarisation ferroélectrique associée.
Les chercheurs de l’IMMM (UMR CNRS 6283), en collaboration avec les partenaires de l’Université de Paris Saclay (synchrotron SOLEIL, LPS UMR 8502, SPMS-CentraleSupelec UMR 8580, UMPhy Thalès), du LPMC UR2081, de l’Université d’Arkansas (USA) et l’Université de Canterbury (New Zealand), viennent de montrer comment il est possible de générer avec des impulsions laser femtosecondes et de suivre, à l’échelle de la picoseconde avec une résolution spatiale d’une dizaine de nanomètres, la déformation photo-induite complexe de la maille du matériau ferroélectrique BiFeO3. Ils ont pu montrer que la photoexcitation ultra-rapide (femtoseconde) d’une couche mince monodomaine de BiFeO3 donnait lieu à l’émission d’une impulsion de déformation mécanique picoseconde qui présente un front de compression et une queue de dilatation atteignant 0.6% de déformation. De plus le consortium a montré que cette impulsion de déformation courte est composée d’une combinaison de déformations longitudinale et transverse, quantifiées pour la première fois. Ce travail a été possible grâce l’étude d’un film de BiFeO3 monodomaine qui permet de s’affranchir des effets de parois de domaines. Ces mesures originales ont combiné des méthodes d’optique ultra-rapide et la diffraction X résolues en temps. Ces travaux ouvrent des perspectives pour la manipulation de la polarisation ferroélectrique à l’échelle de la picoseconde. Ces travaux ont été publiés le 15 novembre 2023 dans la revue Science Advances (AAAS).
déformations longitudinale et transverse photoinduites par une impulsion optique femtoseconde dans une couche mince monodomaine de BiFeO3.
Temporal and spatial tracking of ultrafast light-induced strain and polarization modulation in a ferroelectric thin film, R. Gu, V. Juvé, C. Laulhé, H. Bouyanfif, G. Vaudel, A. Poirier, B. Dkhil, P. Hollander, C. Paillard, M. C. Weber, D. Sando, S. Fusil, V. Garcia, P. Ruello, Science Advances. 9, eadi1160 (2023) DOI: 10.1126/sciadv.adi116
