Single-walled carbon nanotubes are naturally-forming nanostructures that have attracted considerable recent research interest due to their unique opto-electronic properties and comparative ease of fabrication. Two-thirds of nanotube species are semiconductors due to symmetry conditions imposed by their pseudo-one-dimensional tubular structure, and exhibit band-gap photoluminescence when isolated from their environment. Despite their elegant structural simplicity, fundamental properties of carbon nanotubes, such as their intrinsic quantum efficiency, non-linear excitonic recombination mechanisms, and the role of environmental effects, continue to be disputed in the literature. The design of an apparatus capable of observing nanotube photoluminescence is presented, along with conclusive proof of the observation of a single (9,8)-chirality nanotube in the form of spectral, spatial, and polarization-dependent measurements. The dependance of the excitation and emission spectra of a single nanotube on the excitation intensity is explored and the emission spectra found to be described by a Gaussian peak function, in contrast to previously-reported results. The unexpected ability to cause redshifts in the emission spectrum via the ambient humidity is discovered, which has consequences on experimental best practices. Photoluminescence quantum efficiencies are measured to be 4±2% and 13±6% for two different nanotubes. This is at the high end of the range for comparable literature results, and supports the validity of a recent literature value for the effective atomic absorption coefficient for carbon, AC=1.6×10^−3nm^2, which is ten times greater than previous literature values. Pulsed power dependence studies show that the PL emission undergoes ‘hard’ saturation at an excitation intensity of 0.5×10^12photons/pulse/cm2, which is at least 100 times lower than previous reports and provides insight into non-linear decay dynamics. A novel theoretical model is developed to explain this saturation process, which yields an absorption co-efficient of AC=1.2±0.3×10^−3nm^2 as a fit parameter. Time-resolved photoluminescence dynamics are explored using femtosecond excitation correlation spectroscopy. Results suggest that the one-body decay processes are bi-exponential, with time constants of 31±4ps and 313±61ps, but also highlight the limitations of this technique in observing the expected very rapid (~1 ps) two-body Auger recombination process. / Thesis (Master, Physics, Engineering Physics and Astronomy) -- Queen's University, 2008-09-26 16:23:40.81

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Within the course of this thesis, I have investigated the complex interplay between electron and lattice dynamics in nanostructures of perovskite oxides. Femtosecond hard X-ray pulses were utilized to probe the evolution of atomic rearrangement directly, which is driven by ultrafast optical excitation of electrons. The physics of complex materials with a large number of degrees of freedom can be interpreted once the exact fingerprint of ultrafast lattice dynamics in time-resolved X-ray diffraction experiments for a simple model system is well known. The motion of atoms in a crystal can be probed directly and in real-time by femtosecond pulses of hard X-ray radiation in a pump-probe scheme. In order to provide such ultrashort X-ray pulses, I have built up a laser-driven plasma X-ray source. The setup was extended by a stable goniometer, a two-dimensional X-ray detector and a cryogen-free cryostat. The data acquisition routines of the diffractometer for these ultrafast X-ray diffraction experiments were further improved in terms of signal-to-noise ratio and angular resolution. The implementation of a high-speed reciprocal-space mapping technique allowed for a two-dimensional structural analysis with femtosecond temporal resolution. I have studied the ultrafast lattice dynamics, namely the excitation and propagation of coherent phonons, in photoexcited thin films and superlattice structures of the metallic perovskite SrRuO3. Due to the quasi-instantaneous coupling of the lattice to the optically excited electrons in this material a spatially and temporally well-defined thermal stress profile is generated in SrRuO3. This enables understanding the effect of the resulting coherent lattice dynamics in time-resolved X-ray diffraction data in great detail, e.g. the appearance of a transient Bragg peak splitting in both thin films and superlattice structures of SrRuO3. In addition, a comprehensive simulation toolbox to calculate the ultrafast lattice dynamics and the resulting X-ray diffraction response in photoexcited one-dimensional crystalline structures was developed in this thesis work. With the powerful experimental and theoretical framework at hand, I have studied the excitation and propagation of coherent phonons in more complex material systems. In particular, I have revealed strongly localized charge carriers after above-bandgap femtosecond photoexcitation of the prototypical multiferroic BiFeO3, which are the origin of a quasi-instantaneous and spatially inhomogeneous stress that drives coherent phonons in a thin film of the multiferroic. In a structurally imperfect thin film of the ferroelectric Pb(Zr0.2Ti0.8)O3, the ultrafast reciprocal-space mapping technique was applied to follow a purely strain-induced change of mosaicity on a picosecond time scale. These results point to a strong coupling of in- and out-of-plane atomic motion exclusively mediated by structural defects. / Im Rahmen dieser Arbeit habe ich mich mit den komplexen Wechselwirkungen zwischen Elektronen- und Gitterdynamik in oxidischen Perowskit-Nanostrukturen beschäftigt. Dazu wurden verschiedene Proben mit intensiven, ultrakurzen Laserpulsen angeregt. Um die zeitliche Entwicklung der induzierten atomaren Umordnung zu untersuchen, wurden Femtosekunden-Pulse harter Röntgenstrahlung genutzt. Zunächst wurde die ultraschnelle Gitterdynamik in einfachen Modellsystemen mit zeitaufgelösten Röntgendiffraktionsexperimenten untersucht, um im Anschluss ähnliche Experimente an komplexeren Materialien mit mehreren Freiheitsgraden interpretieren zu können. Die Bewegung der Atome in einem Kristall kann über Anrege-Abtast-Verfahren direkt mit gepulster, harter Röntgenstrahlung gemessen werden. Die Dauer der Röntgenpulse muss dafür einige hundert Femtosekunden kurz sein. Um diese ultrakurzen Röntgenpulse zu erzeugen, habe ich eine lasergetriebene Plasma-Röntgenquelle aufgebaut. Der Aufbau wurde um ein stabiles Goniometer, einen zweidimensionalen Röntgendetektor und einen kryogenfreien Kryostat erweitert und in Bezug auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die Winkelauflösung optimiert. Durch die Entwicklung einer schnellen Methode zur Vermessung des reziproken Raums konnte erstmals an solch einer Quelle eine zweidimensionale Strukturanalyse mit Femtosekunden-Zeitauflösung realisiert werden. Die Anregung und Ausbreitung von kohärenten Phononen habe ich in optisch angeregten Dünnfilm- und Übergitterstrukturen untersucht. Eine entscheidende Rolle spielen dabei metallische SrRuO3 Schichten. Durch die quasi-instantane Kopplung des Gitters an die optisch angeregten Elektronen in SrRuO3 wird ein räumlich und zeitlich wohldefiniertes Druckprofil erzeugt. Dadurch kann der Einfluss der resultierenden kohärenten Gitterdynamik auf die zeitaufgelösten Röntgendiffraktionsdaten im Detail verstanden werden. Beobachtet wurde z.B. das Auftreten einer transienten Aufspaltung eines Bragg-Reflexes bei Dünnfilm- und Übergitterstrukturen aus SrRuO3. Außerdem wurde eine umfangreiche Simulationsumgebung entwickelt, mit deren Hilfe die ultraschnelle Dynamik und die dazugehörigen Röntgendiffraktionssignale in optisch angeregten eindimensionalen Kristallstrukturen berechnet werden können. Der von mir entwickelte experimentelle Aufbau sowie das Simulationspaket zur Datenanalyse und -interpretation wurden anschließend für die Untersuchung kohärenter Phononen in komplexeren Materialsystemen eingesetzt. Im Speziellen konnte ich in multiferroischem BiFeO3 eine stark lokalisierte Ladungsträgerverteilung nach einer optischen Femtosekunden-Anregung nachweisen. Sie ist die Ursache für einen quasi-instantanen und räumlich inhomogenen Druck, der die kohärenten Phononen in einem dünnen Film dieses Multiferroikums erzeugt. Außerdem habe ich die ultraschnelle Vermessung des reziproken Raums angewendet, um eine verzerrungsinduzierte Veränderung der Mosaizität in einem strukturell unvollkommenen Film aus ferroelektrischem Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 zu verfolgen. Die Ergebnisse deuten auf eine ausschließlich durch strukturelle Defekte vermittelte Kopplung der atomaren Bewegungen parallel und senkrecht zur Flächennormalen des Filmes hin.

In processing and data storage mainly ferromagnetic (FM) materials are being used. Approaching physical limits, new concepts have to be found for faster, smaller switches, for higher data densities and more energy efficiency. Some of the discussed new concepts involve the material classes of correlated oxides and materials with antiferromagnetic coupling. Their applicability depends critically on their switching behavior, i.e., how fast and how energy efficient material properties can be manipulated. This thesis presents investigations of ultrafast non-equilibrium phase transitions on such new materials. In transition metal oxides (TMOs) the coupling of different degrees of freedom and resulting low energy excitation spectrum often result in spectacular changes of macroscopic properties (colossal magneto resistance, superconductivity, metal-to-insulator transitions) often accompanied by nanoscale order of spins, charges, orbital occupation and by lattice distortions, which make these material attractive. Magnetite served as a prototype for functional TMOs showing a metal-to-insulator-transition (MIT) at T = 123 K. By probing the charge and orbital order as well as the structure after an optical excitation we found that the electronic order and the structural distortion, characteristics of the insulating phase in thermal equilibrium, are destroyed within the experimental resolution of 300 fs. The MIT itself occurs on a 1.5 ps timescale. It shows that MITs in functional materials are several thousand times faster than switching processes in semiconductors. Recently ferrimagnetic and antiferromagnetic (AFM) materials have become interesting. It was shown in ferrimagnetic GdFeCo, that the transfer of angular momentum between two opposed FM subsystems with different time constants leads to a switching of the magnetization after laser pulse excitation. In addition it was theoretically predicted that demagnetization dynamics in AFM should occur faster than in FM materials as no net angular momentum has to be transferred out of the spin system. We investigated two different AFM materials in order to learn more about their ultrafast dynamics. In Ho, a metallic AFM below T ≈ 130 K, we found that the AFM Ho can not only be faster but also ten times more energy efficiently destroyed as order in FM comparable metals. In EuTe, an AFM semiconductor below T ≈ 10 K, we compared the loss of magnetization and laser-induced structural distortion in one and the same experiment. Our experiment shows that they are effectively disentangled. An exception is an ultrafast release of lattice dynamics, which we assign to the release of magnetostriction. The results presented here were obtained with time-resolved resonant soft x-ray diffraction at the Femtoslicing source of the Helmholtz-Zentrum Berlin and at the free-electron laser in Stanford (LCLS). In addition the development and setup of a new UHV-diffractometer for these experiments will be reported. / In der Datenspeichertechnologie werden bisher hauptsächlich ferromagnetische Materialien eingesetzt. Da mit diesen aber physikalische Grenzen erreicht werden, werden neue Konzepte gesucht, um schnellere und kleinere Schalter, größere Datendichten und eine höherere Energieeffizienz zu erzeugen. Unter den diskutierten Materialklassen finden sich komplexen Übergangsmetalloxide und Materialien mit antiferromagnetischer Kopplung. Die Anwendbarkeit solcher Materialien hängt stark davon ab, wie schnell sich deren Eigenschaften verändern lassen und wieviel Energie dafür eingesetzt werden muss. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit ultraschnellen, Nicht-Gleichgewicht-Phasenübergängen genau in solchen Materialien. In Übergangsmetalloxiden führt die enge Kopplung zwischen den unterschiedlichen Freiheitsgraden zu einem effektiven niederenergetischen Anregungsspektrum. Diese Anregungen sind oft verknüpft mit spektakulären makroskopischen Eigenschaften, wie z.B. dem kolossalen Magnetowiderstand, Hochtemperatur-Supraleitung, Metall- Isolator-Übergang, die oft von nanoskaliger Ordnung von Spins, Ladungen, orbitaler Besetzung sowie Gitterverzerrungen begleitet sind. Dadurch werden diese Materialien interessant für Anwendbarkeit. Magnetit, ein Prototyp eines solchen funktionalen Materials zeigt einen Metall-Isolator-Übergang bei T = 123 K. Untersucht man die Ladungs- und orbitale Ordnung sowie die Struktur nach einer optischen Anregung, so findet man, dass die elektronische Struktur und Gitterverzerrung, die kennzeichnend für die Tieftemperaturphase sind, innerhalb der Zeitauflösung des Experiments von 300 fs zerstört wird. Der eigentliche Metall-Isolator-Übergang zeigt sich erst nach 1.5 ps. Die Ergebnisse zeigen, dass MITs in funktionalen Materialien bis zu tausend Mal schneller geschaltet werden können als in vorhandenen Halbleiter-Schaltern. Seit kurzem rücken auch ferrimagnetische und antiferromagnetische Materialen in den Fokus des Interesses. Es wurde im Ferrimagnet GdFeCo gezeigt, dass der Transfer von Drehimpuls zwischen zwei entgegengesetzten Subsystemen mit unterschiedlichen Zeitkonstanten zu einem Umschalten der Magnetisierung führt. Zudem wurde vorhergesagt, dass Demagnetisierungsdynamiken in antiferromagnetischen Materialien schneller ablaufen soll als in ferromagnetischen, da kein Drehimpuls aus dem Spinsystem abgeführt werden muss. Damit wir mehr über antiferromagnetische Dynamik erfahren haben wir zwei unterschiedliche Antiferromagneten untersucht, um sie mit den bekannten FM zu vergleichen. Im metallischen AFM Holmium fanden wir, dass die magnetische Ordnung schneller und zehnmal energieeffizienter zerstört werden kann als in vergleichbaren FM Metallen. In Europium-Tellurid, einem antiferromagnetischem Halbleiter, haben wir den Zerfall der magnetischen Ordnung im Hinblick auf Wechselwirkungen mit der Struktur untersucht. Wir fanden auf kurzen Zeitskalen eine eher entkoppelte Dynamik. Eine Ausnahme ist ein schneller Beitrag zur Gitterdynamik, den wir mit dem Wegfall von Magnetostriktion erklären. Die hier gezeigten Ergebnisse wurden mit Hilfe zeitaufgelöster resonanter weicher Röntgenbeugung an der Femtoslicing Strahlungsquelle des Helmholtz-Zentrums Berlin und am freien Elektronenlaser LCLS gemessen. Zusätzlich wird über die Entwicklung und den Bau eines UHV-Diffraktometers für diese Experimente berichtet.

In this thesis, we investigate the nature of charge carrier generation, relaxation and recombination in a range of lead halide perovskites. We focus on understanding whether the photophysical behaviour of these perovskite materials is like that of highly-ordered inorganic crystalline semiconductors (exhibiting ballistic charge transport) or disordered molecular semiconductors (exhibiting strong electron-phonon coupling and highly localised excited states) and how we can tune these photophysical properties with inorganic and organic additives. We find that the fundamental photophysical properties of lead halide perovskites, such as charge carrier relaxation and recombination, arise from the lead halide lattice rather than the choice of A-site cation. We show that while the choice of A-site cation does not affect these photophysical properties directly, it can have a significant impact on the structure of the lead halide lattice and therefore affect these photophysical properties indirectly. We demonstrate that lead halide perovskites fabricated from particular inorganic and organic A-site cation combinations exhibit low parasitic trap densities and enhanced carrier interactions. Furthering our understanding of how the photophysical properties of these materials can be controlled through chemical composition is extremely important for the future design of highly efficient solar cells and light emitting diodes.

Pour répondre aux questions que pose la faisabilité d’un dispositif de détection d’explosifsà l’aide de la technologie de spectroscopie térahertz, cette thèse a exploré troisaxes. Le premier a consisté à établir une base de données des signatures spectrales (indiceet absorption) d’une large gamme de matériaux d’intérêt pour ce type d’applications,à partir des données expérimentales que nous avons mesurées par spectroscopie dans ledomaine temporel. Nous avons identifié les matériaux montrant une signature spectralesignificative et nous avons aussi étudié l’effet des matériaux de dissimulation.Dans la seconde partie de ce travail, nous avons conçu et construit un banc de spectroscopieultra-large bande destiné à une meilleure identification spectrale des substances. Nousavons identifié les limites techniques de ce type de banc et donné les pistes pour atteindreles performances désirées.Ensuite, nous avons développé et validé un banc de spectroscopie en réflexion, de typegoniométrique, afin de détecter des signaux térahertz diffusés par des matériaux hétérogènes.Finalement, nous avons étudié les plasmons de surface dans le domaine térahertz, en vuede la détection de très faibles quantités de matière. / This PhD work was performed in view of using terahertz electromagnetic signals forthe detection and identification of dangerous and prohibited substances. In a first stage,a database of the terahertz properties (namely refractive index and absorption) of thesesubstances was created from the measurements we performed using terahertz time-domainspectroscopy. Then a large bandwidth terahertz time-domain set up has been built, togetherwith a goniometric-type set up that allows us recording signals scattered by roughor heterogeneous samples. Finally, we studied the excitation and propagation of surfaceplasmons in the terahertz domain, which may be used for the detection of small amountsof matter.

Ce projet de thèse de doctorat est intitulé «Génération du second harmonique dans des cristaux non-linéaires désordonnés: application pour la caractérisation d'impulsions laser ultra-courtes». Il est consacré à l'étude de la génération de deuxième harmonique dans des cristaux ferroélectriques non linéaires formés par une distribution aléatoire de domaines. Ceci conduit à une distribution aléatoire de la susceptibilité non linéaire quadratique (tels que le nitrate de baryum de strontium –SBN- et les cristaux de nitrate de calcium et de calcium) et son application à la caractérisation unique des impulsions laser ultra-courtes. Le principe de base de l'opération est lié au type unique d'émission associé à ces types de cristaux où le second signal harmonique est émis transversalement à la direction de propagation du faisceau. En utilisant la génération transversale de deuxième harmonique à partir de ces cristaux, nous mesurons la durée de l'impulsion, le paramètre chirp et le profil temporel dans une configuration à un seul pulse laser. Cette méthode a été mise en œuvre à la fois dans l'autocorrélation transversale et les schémas transversaux de corrélation croisée pour la mesure des impulsions avec des durées allant de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de femtosecondes. Les principaux avantages obtenus avec les techniques développées par rapport à d'autres méthodes traditionnelles comprennent l'élimination de l'exigence de cristaux minces non linéaires pour la génération harmonique, la possibilité d'obtenir une correspondance automatique de phase sans alignement angulaire ou contrôle de la température sur un spectre très large et un processus d'opération simplifié. / The PhD project, entitled «Second harmonic generation in disordered nonlinear crystals: application to ultra-short laser pulse characterization», is devoted to the study of second harmonic generation in nonlinear ferroelectric crystals formed by a random distribution of domains with inverted quadratic nonlinear susceptibility (such as the Strontium Barium Niobate and Calcium Barium Niobate crystals) and its application to the single-shot characterization of ultrashort laser pulses. The basic principle of operation is related to the unique type of emission associated to those kinds of crystals where the second harmonic signal is emitted transversally to the beam propagation direction. Using the transverse second harmonic generation from these crystals we measure the pulse duration, the chirp parameter and the temporal profile in a single-shot configuration. This method has been implemented both in transverse auto-correlation and transverse cross-correlation schemes for the measurement of pulses with durations in the range from several tens up to several hundreds of femtoseconds. The main advantages gained with the developed techniques against other traditional methods include the removal of the requirement of thin nonlinear crystals for harmonic generation, the possibility to get automatic phase matching without angular alignment or temperature control over a very wide spectrum and a simplified operation process. Different types of pulses have been measured in different conditions and the limits of validity of the technique have been explored.

Nous avons étudié par spectroscopie pompe-sonde résolue en temps la réponse optique ultrarapide d'agrégats de très petite taille (< 2 nm), pour lesquelles une transition d'un comportement de type solide à un comportement moléculaire est attendue. Les modifications des processus de thermalisation interne (interactions électrons-électrons et électrons phonons) avec la réduction de taille ont été étudiées dans des nanosphères d'argent triées en masse entourées de silice, et dans des échantillons d'or atomiquement définis stabilisées par des surfactants. Ces expériences ont mis en évidence les effets de confinement quantique des états électroniques sur la cinétique électronique. L'étude des vibrations acoustiques de nanoparticules dans le même régime de taille a été effectuée. Les vibrations observées dans les agrégats d'or sont dominées par leur mode de respiration radial avec une période proportionnelle à leur diamètre, an analogie avec les nanoparticules plus grandes. Le mode de respiration observé sur les nanoobjets bimétalliques de type cœur/couronne Pt-Au et Ni-Ag est en accord quantitatif avec les estimations du modèle élastique macroscopique, malgré une épaisseur de couronne monoatomique. La spectroscopie résolue en temps a également été utilisée pour étudier le transfert de chaleur à travers l'interface d'une nanoparticule sphérique. Dans ce but, l'évacuation de la chaleur dans des nanoparticules d'or, nues ou enrobées de silice, en solution colloïdale a été étudiée expérimentalement et modélisée de manière quantitative grâce à la prise en compte de la contribution de l'environnement (échauffement du solvant) au signal optique / We used ultrafast time-resolved pump-probe spectroscopy to experimentally investigate the optical response of small metal nano-objects in the few nanometer range (< 2 nm), where a transition from a small solid behaviour to a molecular one is expected. The modification of the intrinsic thermalization processes (electron-electron and electron-phonon interactions) has been studied both on glass-embedded mass-selected silver samples and chemically synthesized ligand-stabilized atomic-defined gold clusters. Electron gas internal thermalization and cooling with the lattice are shown to be affected by size reduction and the concomitant discretization of electronic states. The acoustic response in the same small size range has been investigated. Vibrations of gold clusters were characterized by a quasi-breathing mode scaling with their size, in analogy with larger nanoparticles. The breathing mode of bimetallic core/shell Pt-Au and Ni-Ag nanospheres appeared to be in good quantitative agreement with predictions of continuous elastic models, despite the monoatomic thickness of the layer shell. The same time-resolved approach was used to investigate heat transfer through the nanoparticles interfaces. In this context, heat evacuation of bare or silica-encapsulated gold

Lors d'un accident de voiture, l'abdomen peut être soumis à des chargements rapides pouvant entrainer des blessures des organes abdominaux. Bien que les modèles éléments-finis humains soient de plus en plus utilisés pour la prédiction de ces blessures pendant un choc, la validation de leur comportement interne reste difficile en particulier à cause d'un manque de données expérimentales disponibles. En effet, la vitesse de tels chargements ne permet pas d'utiliser des moyens d'imagerie « classiques » tel que l'IRM. Basé sur une récente technique d'imagerie (échographie ultra-rapide), ce travail porte sur l'étude du comportement interne de l'abdomen pendant un chargement rapide. D'une part, des essais de chargement rapides ont été menés sur sujet cadavérique permettant de mettre en évidence des relations entre le chargement externe et la cinématique interne du foie. Ces essais ont été simulés en utilisant un modèle humain existant et des tendances similaires ont pu être observées pour certains des résultats expérimentaux. D'autre part, afin d'aider à l'exploitation des données échographiques dans ce contexte, une méthode numérique a été développée permettant de calculer des cartes de déformations d'organe à partir d'images échographique ultra-rapide. Cette méthode a d'abord été évaluée numériquement et expérimentalement. Puis elle été appliquée à des images échographiques de reins isolés soumis à des chargements rapides (humain et porc) issus d'une précédente étude permettant de mettre en évidence l'influence de paramètres tels que la vitesse sur les déformations 2D des différentes régions de l'organe. Dans l'ensemble, ces travaux ont permis de progresser sur la connaissance de la réponse de l'abdomen au choc, et de mettre en évidence les limites de performances des modèles actuels de l'être humain. La méthodologie développée afin de calculer les cartes de déformation devrait aider à renforcer ces connaissances dans le futur / During an automotive accident, the abdomen can be subjected to rapid loading leading to abdominal organ injuries. Although human body models become increasingly prevalent to predict injuries during an impact, the validation of their internal response is difficult, in particular due to the lack of data available. Such impact last less than ten milliseconds making the use of standard imaging (e.g. MRI) tools difficult. Based on a recent imaging modality (ultrafast ultrasound imaging), this work focuses on the study of the internal response of the abdomen during an impact. The in situ internal response of abdominal organs (liver, colon) was observed during impacts delivered to post mortem human surrogates. For the first time, trends were found between the external response and the internal organ kinematics. These tests were simulated using an existing human body model leading to similar trends for some of the responses. Also, a method was developed allowing estimating 2D strains in organs during an impact based on ultrafast ultrasound images. This method was first evaluated numerically and experimentally. Then, it was used to process images of human and porcine kidneys during an impact from a previous study. Results highlight the influence of parameters such as the impact speed on the 2D strains estimated in different organ regions.Overall, this research allowed improving upon the current knowledge on the internal response of the abdomen subjected to impact. It also showed the performance limitation of current human body models. The method developed to compute strain maps should help to further improve that knowledge in the future

Ces dix dernières années ont vu émerger des avancées technologiques majeures, nous permettant capturer une image instantanée des processus physique. L'amélioration systématique de la résolution temporelle de ces instants, grâce aux lasers (de différente sorte) aux impulsions ultracourtes, a joué un rôle important dans l'exploration des transitions de phases photo-induites dans différents matériaux, et leur potentiel applicatif. Néanmoins, ce progrès technologique incontestable a poussé à ses limites notre capacité de décrire les phénomènes hors-équilibre très complexes qui pilotent les transitions. Ils sont intrinsèquement multi-échelles dans le temps et dans l'espace, s'étalant de la femtoseconde aux plusieurs jours, et de la dimension atomique jusqu'à celle d'un cristal macroscopique. Les expériences résolues en temps permettent de séparer temporellement différents dégrées de liberté et les phénomènes pilotés par ceux-ci, au lieu d'observer seulement leur moyenne statistique. La première étape (processus photo-induit) de cette séquence temporelle est liée à l'absorption d'un photon, la deuxième (élastique) est pilotée par la dilation du volume macroscopique du matériau, et la troisième étape (thermique) est due aux effets de chaleur. Cette approche séquentielle offre de nouvelles possibilités pour mieux comprendre comment impacter les matériaux de façon contrôlée et efficace. Les lasers opérant dans le moyen infrarouge (mid IR) permettent de suivre le déroulement d'une transition de phase par le changement de vibrations des molécules/liaisons ciblées. Cette spécificité au site moléculaire combinée avec la résolution en temps ultracourte devrait ouvrir une nouvelle fenêtre d'observation des phénomènes qui échappaient aux études scientifique. Ce travail de thèse a commencé exactement dans cet esprit. L'effort majeur a été dédié à l'application de la spectroscopie mid IR ultrarapide aux matériaux présentant une conversion de l'état de spin, [Fe(3-MeO-SalEen)]2PF6 en particulier. La principale difficulté de ce travail consistait à décrypter le contenu spectral des molécules hors-équilibre. Nous avons découvert que l'approche utilisé dans les spectroscopies résolues en temps de plus haute énergie (UV/VIS) ne suffit pas pour étudier la problématique posé dans le cadre de cette thèse. Une nouvelle approche a été pensée pour modéliser les spectres résolus en temps, et celle-ci consistait à séparer la réponse spectrale en deux contributions : le transfert de poids spectral, et un décalage spectral. J'ai pu démontrer que ces deux contributions suivent sensiblement le changement d'état de spin, et la pression (dilatation du volume). L'analyse de données basée sur ce modèle, corrobore les résultats obtenus jusqu'alors avec d'autres techniques. Sur l'échelle de temps ultracourts, plus difficile à modéliser, nous avons pu néanmoins résoudre très clairement le refroidissement vibrationnelle (VC) de l'état électronique haut spin -chaud. A ma connaissance, ce phénomène dans un système solide présentant crossover de spin n'a jamais été observé directement. / The past few decades have seen great advancements in technology that allow us to capture the picture of a physical process, as the adage “seeing is believing” implies how people understand the world. The increasing temporal resolution of lasers played an important role in the study of materials, among which materials exhibiting photo-induced phase transition are of great importance thanks to their potential for future applications. However, as we proceed further and further in the investigation of the mechanism of phase transition, we found ourselves confronted with the very complex nature of phase transition dynamics. It is intrinsically multi-scale in time and space, from femtosecond to days and from atomic dimensions to macroscopic distances. Time resolved experiments disentangle different degrees of freedom and different phenomena in a step-like manner, rather than providing a statistical average. The first step is photo induced due to absorption of photons, the second step (elastic step) is pressure induced due to volume dilation, and the third step is temperature induced due to dissipation of heat. This step-like approach offers an opportunity to understand the mechanism, so that we could effectively impact the materials and possibly control phase transition. Mid IR lasers have a unique advantage of monitoring phase transition through vibrational modes on specific molecular sites. Implementing ultrafast mid IR spectroscopy in phase transition materials should be therefore very insightful in discovering new phenomena and revealing hidden mechanism. This PhD project, focusing on mid IR technique, started exactly in this context. The main effort is dedicated to the application of ultrafast mid IR spectroscopy to the spin crossover solids, [Fe(3-MeO-SalEen)]2PF6. The major challenge in this work was to comprehend the shape of transient mid IR spectra. We found out that this is conceptually different from the experiences accumulated in UV/VIS spectroscopy. A suitable model had to be developed, separating the transient IR spectra into two contributions: spectral weight transfer and spectral shift. I demonstrated that these two components are sensitive to the spin change and pressure effect (volume dilation), respectively. Data analysis based on the new model shows consistency with previously published results. On the ultrafast timescale, more difficult to fit our model to, vibrational cooling (VC) of electronically hot HS state has been very well resolved. To the best of my knowledge, direct observation of VC in solid state SCO compound by IR spectroscopy has not been reported earlier.