Commutation de spin photo-induite ultrarapide dans des cristaux à transition de spin : cohérence et coopérativité

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la commutation ultrarapide de matériaux moléculaire photomagnétiques présentant des transitions entre états de spin. Ces cristaux moléculaires sont des prototypes de bi-stabilité moléculaire possédant deux états électroniques distincts, Haut Spin (HS) et Bas Spin (LS), entre lesquels les molécules peuvent commuter par la lumière. L'émergence des techniques ultrarapides nous permet d'étudier en temps réel ces processus de photo-commutation ainsi que les dynamiques hors équilibres associées jusqu'à l'échelle femtoseconde (10-15s). Nous avons combiné ici l'utilisation de sondes sensibles aux changements d'états électroniques et aux changements structuraux pour étudier ces processus de photo-commutation. Des mesures d'absorption optiques femtosecondes ont été effectuées sur notre plate forme laser et elles ont complétées par des mesures de diffraction et d'absorption des rayons X résolues en temps. La première partie de cette thèse se focalise sur la dynamique de commutation induite par la lumière au niveau moléculaire. Elle révélé l'intrication compliquée de degrés de liberté électroniques et structuraux. La génération et l'amortissement rapide de phonons optiques est identifié comme étant le processus clé dans le piégeage des molécules dans l'état Haut Spin. Les mesures réalisées sur différents types de composés ont prouvé le caractère local et linéaire de ce processus. La seconde partie de cette thèse présente les études de dynamique hors équilibre et des effets en cascade d'origine élastique et thermique résultant de ces perturbations initiales. Des effets coopératifs induits par la lumière sont ainsi mis en évidence. Cette dynamique hors équilibre pilotée par des phénomènes propagatifs et diffusifs est sensible aux effets de taille. L'étude de nano-cristaux démontre une grande efficacité et une réponse aux effets élastiques plus rapide que dans le cas des macrocristaux. Ces études apportent une compréhension nouvelle des phénomènes hors équilibre liés aux transitions de phase photo-induites sur des échelles de temps et d'espace allant de la molécule au matériau.The main topic of this thesis is the study of the ultrafast photo-switching of photo-magnetic molecular materials showing transition between spin states. These molecular crystals are prototypes of molecular bistability between two distinct electronic states, HS and LS. The molecules can be switched between these two states by a light pulse. The emergence of ultrafast techniques allows us to study in real time these photo-switching processes and also the associated out-of-equilibrium dynamics down to the femtosecond scale (10-15s). We have combined probes sensitive to the change of electronic state, on the hand, and to structural rearrangements, on the other hand, in order to observe these photo-switching processes. The measurements of ultrafast transient absorption spectroscopy have been made using the laser plateform at the IPR. Complementary time resolved X-ray diffraction and absorption experiments have been performed on large facilities. The first part of this manuscript is focused on the photo-switching dynamics at molecular scale. It reveals a complicated interaction between electronic and structural degrees of freedom. The generation and damping of coherent optical phonons is identified as a key parameter in the trapping in HS potential. Several experiments on different compounds show the linear and local character of such ultrafast photo-switching. The second part of this thesis presents studies on the complete out of equilibrium dynamics. It reveals a cascading process with activation of elastic and thermal effects at different time scales. Cooperative processes following a light excitation are observed. These complexes dynamics are driven by propagating and diffusive process sensitive to the size of the sample. The study of nanocrystals yields high conversion and faster response to elastics effect than single-crystals. These studies further elucidate the out of equilibrium processes underlying the photo-induced phase transitions on time and length scales, from the molecule to material scale