Source de rayons X ultra-rapide à l’échelle du laboratoire : étude de la désaimantation ultra-rapide.

Cardin, Vincent (2020). Source de rayons X ultra-rapide à l’échelle du laboratoire : étude de la désaimantation ultra-rapide. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 161 p.

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Résumé

La maîtrise de l’émission et la détection des rayons X a permis d’ouvrir le monde nanoscopique au développement scientifique et technologique. Les technologies actuelles ne permettent que d’observer des phénomènes nanoscopiques statiques, à l’équilibre. Le besoin de sources X ultra-rapides pour l’observation de phénomènes dynamiques ultra-rapides à l’échelle de l’ultra-petit, a justifié la construction récente de lasers à électrons libres. À l’instar des synchrotrons, ces infrastructures sont gigantesques et très dispendieuses. Nous proposons ici une option beaucoup plus économique, à l’échelle du laboratoire. Cette option produit des impulsions X beaucoup plus courtes et plus faciles à synchroniser que les lasers à électrons libres. Cette source de rayons X est basée sur la technique de génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG). Elle permet l’obtention de photons parfaitement cohérents de ≈ 15 jusqu’à > 543 eV. Cette gamme d’énergie couvre beaucoup de seuils d’absorption atomiques intéressants pour la spectroscopie et l’imagerie avec des applications diverses incluant l’étude de systèmes biologiques ou la matière condensée. Dans cette thèse, je me suis intéressé à la désaimantation ultra-rapide de matériaux magnétiques. Nous présentons l’optimisation d’une source X qui couvre la fenêtre de l’eau, c.-à-d. une gamme d’énergie qui s’étend de 284 jusqu’à 543 eV. Cette gamme d’énergie correspond à une fenêtre où l’eau absorbe plus faiblement le rayonnement que les structures riches en azote et en carbone. Les seuils d’absorption du carbone, de l’azote, et de l’oxygène qu’elle contient rendent la fenêtre de l’eau très intéressante pour la spectroscopie d’échantillons biologiques in situ. Nous présentons une méthode de compression d’impulsions laser qui permet de compresser significativement la durée d’une impulsion laser avec une efficacité de plus de 70 %. Cette réduction importante de la durée de l’impulsion avec une perte mineure d’énergie augmente son intensité crête. La technique est parfaitement adaptée pour la compression d’impulsions laser provenant d’un amplificateur par dérive de fréquences (CPA) ou d’un amplificateur paramétrique optique (OPA), entre autres. Nous montrons que l’utilisation d’impulsions courtes est bénéfique à la génération d’harmoniques d’ordre élevé. Finalement, nous démontrons les capacités de la source X en étudiant l’aimantation ultra-rapide de multicouches de [Co/Pt]30 et d’un alliage de CoTb au seuil M du cobalt (60 eV) et au seuil N du terbium (155 eV), respectivement. En profitant de la spécialisation du laboratoire ALLS en optique nonlinéaire, nous étudions l’effet de la longueur d’onde sur le processus de désaimantation. Nous trouvons que la désaimantation est plus efficace pour les longues longueurs d’onde.

Advances in the emission and detection of X-rays have allowed tremendous scientific and technological achievements in the field of nanomaterials. However, current technologies are limited to the observation of static phenomena. The need for ultrafast X-ray sources to observe ultrafast dynamics at the nanoscopic scale has justified the construction of free electron lasers. Like synchrotrons, they are incredibly expensive and complex machines. We are proposing a much cheaper tabletop alternative that produces potentially shorter X-ray pulses and causes no synchronization issues. It is based on high harmonic generation (HHG). It generates X-ray photons with energy ranging from ≈ 15 to > 543 eV. This broad bandwidth contains many atomic absorption edges relevant for the spectroscopy and imagery of biomaterials and condensed matter. In this thesis, I study the ultrafast demagnetization process in condensed matter. We present the optimization of such a tabletop X-ray source that covers the water window, an energy range spanning from 284 to 543 eV. In this energy window, water absords less radiation than nitrogen and carbon-rich structures. Because of the absorption edges from carbon, nitrogen and oxygen it contains, the water window attracts significant interest for in-situ spectroscopy of biological samples. We present a laser pulse post-compression method allowing a significant reduction of the pulse duration with an energy throughput higher than 70%. This simple yet efficient compression scheme increases the compressed pulse peak intensity manyfold. The technique is well suited for the compression of laser pulses coming from a chirped pulse amplification setup or from an optical parametric amplifier (OPA). We show that the use of short pulses is highly beneficient to the HHG process. Finally, we demonstrate the capabilities of our tabletop X-ray source by studying the ultrafast demagnetization of a [Co/Pt]30 multilayer and a CoTb alloy at the M-edge of cobalt (60 eV) and the N-edge of terbium (155 eV), respectively. Benefiting from ALLS’s expertise in up and down conversion of its laser pulses, we study the effect of the pump wavelength on the ultrafast demagnetization process. We find that the quenching of the magnetization is more efficient if pumped by a long-wavelength laser.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Légaré, François
Mots-clés libres:	rayons X ultra-rapides; rayons x sur table; HHG; fenêtre de l’eau; compression par fibre creuse; infrarouge; désaimantation ultra-rapide; diffraction X magnétique résonante; pompe-sonde; ultrafast X-rays; Tabletop X-rays; HHG; water window; hollow-core fiber compression; infrared; ultrafast demagnetization; pump-probe
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	05 oct. 2023 13:31
Dernière modification:	05 oct. 2023 13:31
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13592

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