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Theses Year : 2006

Cooperative photo-induced effects: from photo-magnetism under continuous wavelength to ultrafast phenomena- study by optical spectroscopy and X-ray diffraction.

Effets photo-induits coopératifs: du photomagnétisme sous irradiation continue aux phénomènes ultrarapides- étude par spectroscopie et diffraction X.

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Abstract

The control with ultra-short laser pulses of the collective and concerted transformation of molecules driving a macroscopic state switching on an ultra-fast time scale in solid state opens new prospects in materials science. The goal is to realize at the material level what happens at the molecular level in femtochemistry. These processes are highly cooperative and highly non-linear, leading to self-amplification and self-organization within the material, a so-called photo-induced phase transition with a new long range order (structural, magnetic, ferroelectric...). Two families of molecular compounds have been studied here: first of all, spin transition materials changing from a diamagnetic state over to a paramagnetic state under the effect of temperature or under continuous laser excitation. It concerns photo-active molecular bistability prototype materials in solid state, whose switching has been studied during X-ray diffraction, optical reflectivity and magnetism experiments. Then we have studied charge-transfer molecular systems, prototype compounds for ultrafast photo-induced phase transitions: insulator-metal, neutral-ionic... As well as ultrafast optical experiments, time-resolved X-ray crystallography is a key technique in order to follow at the atomic level the different steps of the photo-induced transformation and thus to observe the involved mechanisms. We have underlined a process of photo-formation of one-dimensional nano-domains of lattice-relaxed charge-transfer excitations, governing the photo-induced phase transition of the molecular charge-transfer complex TTF-CA by the first time-resolved diffuse scattering measurements. Moreover, a new femtosecond laser-plasma source and a optical pump-probe spectroscopy set-up with a highly sensitive detecting system have been developed in this work. The results presented here will be an illustration of the present scientific challenges existing on the one hand with the development of projects of major scale (new ultrafast sources) and on the other hand with ultrafast photo-switching.
Le contrôle au moyen d'impulsions laser ultracourtes de la transformation collective et concertée de molécules à l'état solide pouvant induire une commutation ultrarapide de l'état macroscopique d'un matériau offre des perspectives nouvelles. L'objectif est de réaliser à l'échelle du matériau ce qui est réalisé à l'échelle moléculaire en femtochimie. Ces processus sont hautement non linéaires et coopératifs, pouvant conduire à une auto-amplification et une auto-organisation au sein du matériau, et donc à une transition de phase photo-induite vers un nouvel ordre à longue distance (structural, magnétique, ferroélectrique...). Deux familles de matériaux ont été ici étudiées: tout d'abord, des matériaux à transition de spin, passant d'un état diamagnétique à paramagnétique, sous l'effet de la température, ou sous irradiation laser continue. Il s'agit de matériaux photo-actifs prototypes de la bistabilité moléculaire à l'état solide, dont la commutation est étudiée lors d'expériences de diffraction X, de réflectivité optique et de magnétisme. Une seconde partie des études a porté sur des complexes moléculaires à transfert de charge qui sont des composés prototypes pour les transitions de phase photo-induites ultra-rapides: neutre-ionique, isolant-métal... En plus des expériences d'optique temporelle ultra-rapide, la cristallographie X résolue en temps constitue une technique clé permettant de suivre au niveau atomique les différentes étapes de la transformation photo-induite et par conséquent d'observer les mécanismes mis en jeu. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence un processus de photo-formation de nanodomaines unidimensionnels d'excitations de transfert de charge relaxées structuralement, pilotant la transition de phase photo-induite du TTF-CA, à l'aide de premières études de diffusion diffuse résolue en temps. Une nouvelle source laser-plasma femtoseconde et un dispositif de spectroscopie pompe sonde optique à détection hautement sensible ont aussi été développés dans le cadre de ce travail. Les résultats présentés dans cette étude seront une illustration des enjeux scientifiques actuels relatifs d'une part aux développements de projets de grande ampleur (nouvelles sources ultra-brèves) et d'autre part à la photo-commutation ultra-rapide.
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Cite

David Glijer. Effets photo-induits coopératifs: du photomagnétisme sous irradiation continue aux phénomènes ultrarapides- étude par spectroscopie et diffraction X.. Physique [physics]. Ecole Polytechnique X, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00002257⟩
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