Étude des phénomènes dynamiques ultrarapides et des caractéristiques impulsionnelles d'émission térahertz du supraconducteur Y Ba[indice inférieur 2]Cu[indice inférieur 3]O[indices inférieurs 7-delta]

• Main Author: Savard, Stéphane
• Other Authors: Fournier, Patrick
• Language: French
• Published: Université de Sherbrooke 2009
• Online Access: http://hdl.handle.net/11143/5835

Les premières études d'antennes à base de supraconducteurs à haute température critique émettant une impulsion électromagnétique dont le contenu en fréquence se situe dans le domaine térahertz remontent à 1996. Une antenne supraconductrice est formée d'un micro-pont d'une couche mince supraconductrice sur lequel un courant continu est appliqué. Un faisceau laser dans le visible est focalisé sur le micro-pont et place le supraconducteur dans un état hors-équilibre où des paires sont brisées. Grâce à la relaxation des quasiparticules en surplus et éventuellement de la reformation des paires supraconductrices, nous pouvons étudier la nature de la supraconductivité. L'analyse de la cinétique temporelle du champ électromagnétique émis par une telle antenne térahertz supraconductrice s'est avérée utile pour décrire qualitativement les caractéristiques de celle-ci en fonction des paramètres d'opération tels que le courant appliqué, la température et la puissance d'excitation. La compréhension de l'état hors-équilibre est la clé pour comprendre le fonctionnement des antennes térahertz supraconductrices à haute température critique. Dans le but de comprendre ultimement cet état hors-équilibre, nous avions besoin d'une méthode et d'un modèle pour extraire de façon plus systématique les propriétés intrinsèques du matériau qui compose l'antenne térahertz à partir des caractéristiques d'émission de celle-ci. Nous avons développé une procédure pour calibrer le spectromètre dans le domaine temporel en utilisant des antennes térahertz de GaAs bombardé aux protons H+ comme émetteur et détecteur. Une fois le montage calibré, nous y avons inséré une antenne émettrice dipolaire de YBa[indice inférieur 2]Cu[indice inférieur 3]O[indice inférieur 7-[delta]]. Un modèle avec des fonctions exponentielles de montée et de descente du signal est utilisé pour lisser le spectre du champ électromagnétique de l'antenne de YBa[indice inférieur 2]Cu[indice inférieur 3]O[indice inférieur 7-[delta]], ce qui nous permet d'extraire les propriétés intrinsèques de ce dernier. Pour confirmer la validité du modèle choisi, nous avons mesuré les propriétés intrinsèques du même échantillon de YBa[indice inférieur 2]Cu[indice inférieur 3]O[indice inférieur 7-[delta]] avec la technique pompe-visible et sonde-térahertz donnant, elle aussi, accès aux temps caractéristiques régissant l'évolution hors-équilibre de ce matériau. Dans le meilleur scénario, ces temps caractéristiques devraient correspondre à ceux évalués grâce à la modélisation des antennes. Un bon contrôle des paramètres de croissance des couches minces supraconductrices et de fabrication du dispositif nous a permis de réaliser des antennes d'émission térahertz possédant d'excellentes caractéristiques en terme de largeur de bande d'émission (typiquement 3 THz) exploitables pour des applications de spectroscopie résolue dans le domaine temporel. Le modèle développé et retenu pour le lissage du spectre térahertz décrit bien les caractéristiques de l'antenne supraconductrice pour tous les paramètres d'opération. Toutefois, le lien avec la technique pompe-sonde lors de la comparaison des propriétés intrinsèques n'est pas direct malgré que les deux techniques montrent que le temps de relaxation des porteurs augmente près de la température critique.Les données en pompe-sonde indiquent que la mesure du temps de relaxation dépend de la fréquence de la sonde, ce qui complique la correspondance des propriétés intrinsèques entre les deux techniques. De même, le temps de relaxation extrait à partir du spectre de l'antenne térahertz augmente en s'approchant de la température critique (T[indice inférieur c]) de YBa[indice inférieur 2]Cu[indice inférieur 3]O[indice inférieur 7-[delta]]. Le comportement en température du temps de relaxation correspond à une loi de puissance qui est fonction de l'inverse du gap supraconducteur avec un exposant 5 soit 1/[delta][indice supérieur 5] (T ). Le travail présenté dans cette thèse permet de mieux décrire les caractéristiques des antennes supraconductrices à haute température critique et de les relier aux propriétés intrinsèques du matériau qui les compose. De plus, cette thèse présente les paramètres à ajuster comme le courant appliqué, la puissance de la pompe, la température d'opération, etc., afin d'optimiser l'émission et les performances de ces antennes supraconductrices entre autres pour maximiser leur étendue en fréquence dans une perspective d'application en spectroscopie térahertz. Cependant, plusieurs des résultats obtenus soulèvent la difficulté de décrire l'état hors-équilibre et la nécessité de développer une théorie pour le supraconducteur YBa[indice inférieur 2]Cu[indice inférieur 3]O[indice inférieur 7-[delta]].