L’IEMN adresse ses chaleureuses félicitations à Pierre Koleják, Ph.D., qui a reçu la médaille d’argent dans la catégorie « Meilleure thèse de doctorat » des Prix Werner von Siemens 2025 pour sa thèse intitulée Ellipsométrie dans le domaine temporel des térahertz basée sur les phénomènes spintroniques. Les Prix Werner von Siemens comptent parmi les distinctions tchèques les plus prestigieuses décernées aux jeunes scientifiques, étudiants et enseignants dans les domaines de l’ingénierie et des sciences naturelles. Lors de l’édition 2025, 662 candidatures ont été évaluées et 22 lauréats ont été sélectionnés par des jurys d’experts [1].

La thèse de Pierre a été réalisée dans le cadre d’une cotutelle franco-tchèque entre la VŠB – Université technique d’Ostrava et l’ IEMN, sous la direction conjointe de Kamil Postava and Mathias Vanwolleghem. Cette collaboration a permis de réunir des expertises complémentaires : la perspective originale de l’ellipsométrie et la motivation métrologique sont venues du partenaire tchèque, tandis que l’IEMN a fourni l’environnement dans lequel ont été développés la plateforme de source THz spintronique, l’instrumentation THz ultra-rapide et les concepts d’ingénierie des sources photoniques.

Sous la direction de Mathias Vanwolleghem, les émetteurs THz spintroniques ont fait leur apparition à l’IEMN en tant que nouvel axe de recherche et se sont rapidement imposés comme l’un des axes actifs du groupe de photonique THz. La thèse de doctorat de Pierre a joué un rôle majeur dans cette accélération. Si l’horizon scientifique à long terme de la thèse portait sur l’ellipsométrie THz complète dans le domaine temporel, bon nombre de ses innovations les plus abouties et les plus visibles concernaient la physique, l’ingénierie et le contrôle des émetteurs THz spintroniques eux-mêmes.

La motivation scientifique portait sur un défi central de la métrologie térahertz : comment transposer la puissance analytique de l’ellipsométrie dans la gamme THz tout en exploitant pleinement la nature sensible à la phase de la spectroscopie dans le domaine temporel. L’ellipsométrie optique classique est une technique de référence pour mesurer les constantes optiques, l’épaisseur des couches minces et les anisotropies, mais son extension au domaine THz reste techniquement complexe. Pour accéder pleinement à la réponse de polarisation d’échantillons anisotropes généraux, il faut disposer à la fois d’informations sur l’amplitude et la phase, ainsi que d’un haut degré de contrôle sur l’état de polarisation THz émis.

La thèse de Pierre a poursuivi cet objectif à travers l’ellipsométrie THz spectroscopique complète dans le domaine temporel, or THz-cTDSE. La méthode vise à récupérer la matrice de Jones complexe complète d’échantillons anisotropes et à pertes, et à en déduire la matrice de Mueller correspondante utilisée en ellipsométrie classique. Pierre a également introduit une représentation basée sur la matrice de Pauli de la réponse polarimétrique, traduisant les données matricielles en grandeurs physiquement interprétables telles que le retard et la diatténuation dans différentes bases de polarisation. Cela offre une voie plus claire entre les formes d’onde THz mesurées et la physique des matériaux sous-jacente, en particulier pour les systèmes biréfringents, dichroïques, magnéto-optiques ou autrement anisotropes. Cette approche est particulièrement pertinente dans la gamme THz, où le rayonnement permet d’étudier la conductivité, la dynamique des porteurs, les excitations à faible énergie, les phonons et les réponses anisotropes dans des matériaux importants sur le plan technologique.

La motivation scientifique résidait dans un défi central de la métrologie térahertz : comment étendre la puissance analytique de l’ellipsométrie à la gamme THz tout en exploitant pleinement la nature sensible à la phase de la spectroscopie dans le domaine temporel. L’ellipsométrie optique classique est une technique de référence pour mesurer les constantes optiques, l’épaisseur des couches minces et les anisotropies, mais son extension au domaine THz reste techniquement exigeante. Pour accéder pleinement à la réponse de polarisation d’échantillons anisotropes généraux, il faut disposer à la fois d’informations sur l’amplitude et la phase, ainsi que d’un haut degré de contrôle sur l’état de polarisation THz émis.

Au cœur de cette thèse se trouvait la prise de conscience qu’une telle plateforme ellipsométrique nécessite plus qu’une source THz classique suivie d’optiques de polarisation externes. L’élément clé est l’émetteur THz spintronique lui-même, utilisé non seulement comme émetteur à large bande, mais aussi comme source de rayonnement THz polarisé pouvant être contrôlée activement. Dans des multicouches nanométriques ferromagnétiques/métal lourd, une impulsion laser ultra-rapide génère un courant de spin qui est converti en un courant de charge transversal par couplage spin-orbite, produisant une émission THz à large bande. Comme la polarisation THz émise est directement liée à la direction de magnétisation, les émetteurs spintroniques offrent une voie unique pour contrôler l’état de polarisation au niveau de la source, évitant ainsi les optiques de polarisation THz qui entraînent des pertes ou une rotation mécanique.

Les travaux de Pierre ont contribué à transformer les émetteurs THz spintroniques en composants métrologiques à polarisation programmable. Un premier résultat majeur a été la démonstration d’un contrôle complet de la polarisation à 360° au niveau de la source grâce à l’anisotropie magnétique artificielle dans les multicouches spintroniques. En concevant des émetteurs dotés d’une anisotropie magnétique uniaxiale contrôlée, la polarisation THz émise pouvait être orientée en continu grâce à l’état magnétique de l’émetteur lui-même. Il s’agit là d’un point central de ces travaux : la polarisation est programmée à l’intérieur de la structure émettrice, plutôt que d’être imposée a posteriori par des composants optiques THz à balayage mécanique. [2]

Une autre voie explorée concerne les émetteurs spintroniques commandés en tension basés sur des couches magnétostrictives déposées sur des substrats piézoélectriques PMN-PT. Dans ce cas, la déformation induite par la tension réoriente la magnétisation et fait ainsi pivoter la polarisation THz émise. Cette deuxième approche repose sur le même principe de contrôle au niveau de la source, mais remplace l’actionnement par champ magnétique par un stimulus électrique. Les travaux qui en ont résulté sur le contrôle magnétoélectrique entièrement réversible de la polarisation THz par tension ont été publiés dans Applied Physics Letters, sélectionnés comme article vedette et mis en avant sur la couverture de la revue. [3]

Pierre s’est également attaqué à l’une des principales limites de la technologie THz spintronique : le rendement de conversion optique-THz relativement faible des émetteurs multicouches nus. Ses travaux ont permis de développer une stratégie électromagnétique rigoureuse visant à maximiser l’absorption utile de la pompe dans la pile spintronique ultra-mince tout en améliorant l’extraction du rayonnement THz généré. En intégrant des émetteurs spintroniques à des concepts de cavités photoniques optimisés, ces travaux ont démontré une sortie THz fortement améliorée tout en préservant le caractère à large bande qui rend les émetteurs spintroniques si intéressants. L’article publié dans Advanced Photonics Research, intitulé « Maximizing the Electromagnetic Efficiency of Spintronic Terahertz Emitters », a été mis en avant sur la couverture de la revue et est désormais reconnu comme une contribution très citée dans ce domaine émergent. [4]

Ces résultats ne constituent pas des optimisations isolées de la source. Ensemble, ils établissent les éléments de base côté source nécessaires à une polarimétrie et une ellipsométrie THz complètes : émission à large bande, efficacité améliorée, polarisation contrôlable et compatibilité avec des architectures compactes. En ce sens, l’ellipsométrie n’était pas simplement une application finale ajoutée à la thèse, mais l’objectif métrologique directeur qui a donné une cohérence aux développements de la source spintronique.

L’environnement scientifique de la thèse a été fortement influencé par le projet européen s-NEBULA FET Open — Novel Spin-Based Building Blocks for Advanced TeraHertz Applications. Le projet visait à créer des composants THz à base de spin fonctionnant à température ambiante et incluait explicitement, parmi ses applications cibles, des émetteurs à polarisation programmable pour l’ellipsométrie. Les travaux de Pierre ont directement contribué à cette ambition en s’attaquant aux défis liés aux sources — efficacité, programmabilité de la polarisation, étalonnage et utilisation métrologique — qui doivent être résolus avant que les émetteurs spintroniques puissent devenir des composants pratiques pour l’instrumentation THz avancée. [5]

Le programme de bourses Barrande a également joué un rôle important en soutenant le cadre de mobilité doctorale franco-tchèque. Barrande est conçu pour renforcer la coopération scientifique entre les équipes de recherche françaises et tchèques et finance des doctorats en cotutelle ainsi que des séjours de recherche de courte durée entre les deux pays. Dans le cas de Pierre, ce soutien a permis de faire de cette collaboration un véritable projet doctoral bilatéral, combinant la tradition tchèque en matière d’ellipsométrie avec les développements en THz spintronique menés à l’IEMN.

Ces travaux ont également ouvert une ligne de recherche durable à l’IEMN. Dans le cadre du projet ambitieux PEPR SPIN / TOAST, le groupe étend désormais les concepts de contrôle de la polarisation au niveau de la source développés par Pierre vers la modulation rapide de la polarisation THz, dans le but de permettre des schémas de détection basés sur la modulation, d’améliorer les rapports signal/bruit et de développer de nouvelles formes de spectroscopie THz à résolution de polarisation. Parallèlement, le projet ANR PRCI SPINCHIP, mené avec le Laboratoire de photonique hybride de l’EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne), fait évoluer les émetteurs THz spintroniques vers des plateformes photoniques intégrées. SPINCHIP vise à développer des puces hybrides photoniques-spintroniques sur nitrure de silicium pour la génération compacte de THz pulsés et en ondes continues, en partenariat avec l’IEMN et l’EPFL. [6,7]

En ce sens, le prix Werner von Siemens décerné à Pierre récompense plus qu’une thèse de doctorat exceptionnelle. Il met en lumière un parcours de recherche franco-tchèque couronné de succès, soutenu par la mobilité Barrande et amplifié par le projet européen s-NEBULA. Il marque également l’émergence d’un axe de recherche solide et durable à l’IEMN, reliant la physique fondamentale des sources THz spintroniques, la métrologie polarimétrique complète et les futurs systèmes THz intégrés pour la caractérisation non destructive de matériaux avancés.