Les molécules flexibles sont omniprésentes dans la Nature (protéines, sucres, ...) et sont sources de nombreuses applications (médicaments, machines moléculaires, ...). Par définition, ces molécules existent sous plusieurs conformations qui possèdent chacune des propriétés physiques, chimiques ou biologiques pouvant varier grandement d'une conformation à l'autre. Parmi celles-ci, la photoexcitation et la relaxation des états électroniques sont particulièrement sensibles à la conformation: la durée de vie du premier état électronique excité peut, par exemple, varier de plusieurs ordres de grandeurs suivant la conformation adoptée. Toutefois, la mise en évidence expérimentale de tels effets conformationnels sur les états excités reste rare en raison de la difficulté à étudier spécifiquement une conformation présente dans un mélange conformationnel. Cette thématique reste donc encore peu documentée malgré un besoin de résultats expérimentaux pour aider au développement des modèles théoriques, et un manque de compréhension dans un domaine où les enjeux fondamentaux (intersections coniques, phénomènes ultrarapides) et applicatifs (photostabilité, transfert d'énergie) sont importants.



Dans ce contexte, le laboratoire LIDYL réunit plusieurs dispositifs expérimentaux permettant une étude originale multi-échelle (ns-fs) et résolue en conformation de la dynamique de relaxation électronique de systèmes moléculaires flexibles. Le programme de recherche portera principalement sur des systèmes d'intérêt biologiques et des complexes moléculaires, et consistera à :



- Mettre en évidence des processus dynamiques dépendant de la conformation afin de rationaliser les observations

- Caractériser des espèces jusque-là inaccessibles aux techniques de détection classiques.

La lumière dans l’extrême ultraviolet (XUV) constitue une sonde universelle de la matière, qu’elle se présente en phase diluée ou condensée : les photons associés à cette gamme spectrale portent une énergie de 10 à 100 eV, suffisante pour ioniser directement atomes, molécules ou objets solides. De grands instruments tels les synchrotrons ou les lasers à électrons libres (LEL) fonctionnent dans cette gamme spectrale et permettent d’étudier, tant du point de vue fondamental qu’appliqué, les interactions lumière-matière dans ce régime. Cependant, ces grands instruments n’offrent pas la résolution temporelle permettant d’atteindre les échelles de temps ultimes des interactions lumière-matière, situées dans la gamme attoseconde (1as=10-18s). Une alternative est offerte par le développement, ces dernières années, de sources XUV basées sur la génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG) d’un laser femtoseconde intense. Notre laboratoire a été pionnier pour le développement, le contrôle et la mise en forme de ces sources fournissant des impulsions XUV attosecondes.

Au cours de cette thèse, nous développerons des dispositifs spécifiques, mettant en jeu deux faisceaux formant un réseau actif de génération d’harmoniques afin de contrôler le transfert aux impulsions attosecondes d’un moment angulaire, qu’il soit de spin ou orbital. Ceci ouvrira de nouvelles applications mettant en jeu des spectroscopies résolues en temps ignorées à ce jour. L’accent sera mis, d’une part sur les aspects fondamentaux des couplages de moment angulaires de spin et orbitaux de la lumière dans le régime hautement non linéaire, d’autre part sur des applications de physique attoseconde, en phase diluée ou condensée. En particulier, nous chercherons à mettre en évidence des dichroïsmes hélicoïdaux, qui se manifestent par des absorptions différentes de faisceaux portant des moment angulaires orbitaux opposés. Ces effets restent très largement ignorés à ce jour.



L’étudiant(e) acquerra une pratique de l’optique des lasers, en particulier femtoseconde, et des techniques de spectrométrie de particules chargées. Il (elle) étudiera également les processus de physique des champs forts sur lesquels se basent la génération d'harmoniques élevées. Il/elle deviendra un(e) experte de la physique attoseconde. L’acquisition de techniques d’analyse approfondie, d’interfaçage d’expérience seront encouragées même si non indispensables.

Sujet détaillé : http://iramis.cea.fr/LIDYL/Pisp/thierry.ruchon/

Avec l’avènement des lasers de puissance de classe PW, capables de délivrer des intensités lumineuses de 10^22 W.cm^-2 pour lesquelles la matière devient plasma, la physique des Ultra-Hautes Intensités (UHI) vise maintenant à résoudre deux challenges majeurs : peut-on produire des accélérateurs de particules compacts délivrant des faisceaux d’électrons de haute charge à haute énergie, qui seront cruciaux pour repousser les limites de la Science des hautes énergies ’ Peut-on atteindre des intensités lumineuses extrêmes, approchant la limite de Schwinger (10^29W.cm^-2), au-delà de laquelle la lumière s’autofocalise dans le vide et des paires électron/positron sont produites’ Résoudre ces deux grandes questions à l’aide des lasers de puissance PW en construction (e.g. CILEX/APOLLON, ELI) requiert une rupture conceptuelle que je propose de développer au cours de cette thèse.



En particulier, cette thèse vise à démontrer que les ‘miroirs plasma relativistes’, produits lorsqu’un laser femtoseconde (1fs=10^-15s) de puissance frappe une cible solide, pourraient fournir une approche simple et élégante permettant de résoudre ces deux grands challenges de la physique UHI. Lors de sa réflexion sur le miroir plasma, le laser peut générer des paquets d’électrons relativistes de haute charge ainsi que des faisceaux harmoniques de courtes longueurs d’onde très intenses. Pourrait-on utiliser ces miroirs plasmas pour focaliser fortement les faisceaux harmoniques et approcher la limite de Schwinger ’



Pourrait-on utiliser les miroirs plasmas comme des injecteurs de très haute charge dans un laser PW capable de fournir des gradients accélérateurs de 100TV.m^-1 ’ La mission du candidat sera de répondre à ces deux interrogations ‘in silico’, à l’aide de simulations numériques massivement parallèles nécessitant les plus gros calculateurs disponibles à l’heure actuelle. Dans cette optique, le candidat utilisera nos derniers développements numériques et d’optimisation de la méthode Particle-In-Cell (PIC) qui rendent possible, pour la première fois, une simulation 3D réaliste de l’interaction laser-miroir plasma à haute intensité. Ces développements ont été implémentés, validés et testés dans notre code 3D PICSAR (https://www.picsar.net). Armé de PICSAR, le candidat modélisera numériquement de nouveaux schémas d’interaction utilisant les miroirs plasmas pour résoudre les deux grands challenges physiques introduits ci-dessus.

La technologie laser permet aujourd'hui de produire des impulsions de lumière cohérente d'une durée de quelques dizaines de femtosecondes seulement, avec des énergies allant jusqu’à plusieurs joules par impulsion. Ces faisceaux lasers sont susceptibles de présenter des couplages spatio-temporels, c’est-à-dire une dépendance spatiale de leurs propriétés temporelles, qui peuvent dégrader considérablement leurs performances. Notre groupe de recherche a développé ces dernières années différentes techniques pour mesurer la structure spatio-temporelle complète de telles faisceaux lasers. Ces techniques ont été démontrées sur différents lasers, parmi les plus puissants existants actuellement. Les objectifs de cette thèse seront d'exploiter ces nouvelles techniques pour caractériser des sources laser de complexité croissante, et de rendre ces techniques plus performantes. Il s'agira notamment de réduire le nombre de tirs lasers nécessaires pour ces mesures, aussi bien en exploitant les techniques modernes d'échantillonnage parcimonieux ('compressed sensing' en anglais), qu'en imaginant de nouvelles façons physiques d'encoder l'information pertinente dans les données mesurées. L'objectif ultime est d'obtenir toute l'information sur la structure spatio-temporelle du faisceau en utilisant un unique tir laser, au lieu des centaines de tirs requis par les techniques actuelles.

De nombreux systèmes moléculaires complexes absorbent la lumière dans l’UV, certains d’extrême importance pour la biologie, comme les bases de l’ADN ou les protéines. Les états excités peuplés par l’absorption UV bénéficient de mécanismes de désactivation d’importance majeure pour la photostabilité de ces espèces. Ces processus, souvent ultrarapides, offrent un moyen rapide et efficace de dissiper l’excitation électronique sous forme de vibration, évitant ainsi les réactions photochimiques qui conduisent généralement à des dommages structurels affectant la fonction biologique du système. Notre connaissance de ces processus qui contrôlent la durée de vie de l’état excité peut être approfondie à travers l’étude en phase gazeuse de systèmes d’intérêt biologique modèles mimant des fragments des constituants du vivant comme par exemple, les peptides pour les protéines. L’objectif principal de cette thèse est donc d’étudier la dynamique électronique de systèmes d’intérêt biologique, i.e., des modèles des constituants du vivant, et ainsi d’appréhender les phénomènes élémentaires qui contrôlent la durée de vie des états excités de ces systèmes. L’approche mixte expérience-théorie, qui utilisera des développements méthodologiques récents, reposera sur :



i) La caractérisation expérimentale des durées de vie en fonction des espèces étudiées (expérience pompe-sonde en régime nano-, pico- et femtoseconde) ainsi que de la cascade d’états formés. Les expériences bénéficieront notamment du diagnostic d’imagerie de photoélectrons, qui permettra de suivre le chemin de relaxation suivi par le système, et notamment d’apprécier le rôle de ses différents états excités et de sa conformation,



ii) la modélisation des surfaces d’énergie potentielle (SEP) des états excités de ces systèmes et en particulier, la détermination des zones critiques sur la surface, comme les intersections coniques, et des mouvements induisant les mécanismes de désactivation. La taille des systèmes, leur flexibilité, la présence de liaisons non-covalentes qui gouvernent les structures et la nature très diverse des états excités requièrent la mise en œuvre d’une stratégie calculatoire multi-étapes et multi-niveaux, faisant appel à des méthodes de chimie quantique sophistiquées (dynamique non-adiabatique, méthode "Coupled Cluster" et méthode d’interaction de configuration multi-référence).



Enfin, ce travail de thèse s’effectuera dans le prolongement du projet ANR ESBODYR («Excited States of BiO-relevant systems: towards ultrafast DYnamics with conformational Resolution» (Défis de tous les savoirs, Coord. V. Brenner, 2014-2018). Il bénéficiera par ailleurs pour le volet théorique de l’accès aux moyens de calculs intensif nationaux (GENCI/TGCC et DRF/CCRT) et pour le volet expérimental, de l’accès au serveur femtoseconde ATTOLab (Orme des Merisiers) et du serveur picoseconde du Centre Laser de l’Université Paris-Sud (CLUPS).



Contact : Michel Mons, http://iramis.cea.fr/Pisp/michel.mons/ et Valérie Brenner, http://iramis.cea.fr/Pisp/valerie.brenner/.

De nombreux systèmes moléculaires complexes absorbent la lumière dans l’UV, certains d’extrême importance pour la biologie, comme les bases de l’ADN ou les protéines. Les états excités peuplés par l’absorption UV bénéficient de mécanismes de désactivation d’importance majeure pour la photostabilité de ces espèces. Ces processus, souvent ultrarapides, offrent un moyen rapide et efficace de dissiper l’excitation électronique sous forme de vibration, évitant ainsi les réactions photochimiques conduisant généralement à des dommages structurels susceptibles d’affecter la fonction biologique du système. Notre connaissance de ces processus qui contrôlent la durée de vie de l’état excité peut être approfondie à travers l’étude en phase gazeuse de systèmes d’intérêt biologique modèles mimant des fragments des constituants du vivant comme par exemple, les peptides pour les protéines. La taille des systèmes, leur flexibilité, la présence de liaisons non-covalentes qui gouvernent les structures et la nature très diversifiée des états excités nécessitent d’avoir recours à des modèles théoriques sophistiqués pour une complète caractérisation des structures et la détermination des mécanismes de relaxation des premiers états excités. L’objectif principal de cette thèse est donc de mettre en œuvre une stratégie calculatoire faisant appel à des méthodes de chimie quantique sophistiquées permettant non seulement la caractérisation des premiers états excités de ces systèmes mais aussi une modélisation partielle des surfaces d’énergie potentielle de ces états afin d’en appréhender la dynamique électronique. Enfin, ce sujet est en relation directe avec des expériences de spectroscopies menées dans notre équipe sur ces systèmes, expériences utilisant les récents développements des techniques expérimentales de spectroscopie en phase gazeuse et donnant accès à des données très précises sur les propriétés spectroscopiques et la dynamique électronique de relaxation. Par ailleurs, il s’effectuera dans le prolongement d’un projet ANR, ESBODYR ou "Excited States of BiO-relevant systems: towards ultrafast Dynamics with conformational Resolution" (Coord. V. Brenner, 2014-2018) et bénéficiera de l’accès aux moyens de calcul intensif nationaux (GENCI/TGCC et DRF/CCRT).

Un vaste ensemble d'objets d'étude en physique comme la structure interne des étoiles, l'émission X des disques d'accrétion, la dynamique de la fusion par confinement inertiel, ou les nouvelles sources de rayonnement nécessite une connaissance fine des propriétés radiatives des plasmas chauds. De tels plasmas présentent des spectres contenant un très grand nombre de raies souvent regroupées en faisceaux non résolus. L'interprétation de ces spectres requiert l'utilisation des méthodes statistiques. À l'aide de la seconde quantification et de méthodes d'algèbre tensorielle, il est possible de calculer des quantités telles que la moyenne et la variance des énergies de transitions dans un faisceau. Il existe une littérature importante sur ce sujet, toutefois certains types de transitions, notamment les transitions dipolaires magnétiques internes à une configuration ou les processus mettant en jeu plusieurs électrons n'ont pas été abordés jusqu'ici. En plus de cette étude analytique, un travail numérique utilisant le Flexible Atomic Code sera proposé au cours de cette thèse. Les plasmas seront étudiés soit à l'équilibre thermodynamique, soit hors équilibre auquel cas les populations de niveaux sont déterminées par la résolution de système d'équations cinétiques. Parmi les applications possibles figurent l'interprétation de mesures récentes d'opacité réalisées sur le laser LULI2000 de l'École Polytechnique, la détermination des pertes radiatives du tungstène dans le divertor du tokamak ITER, ou encore le problème ouvert de la caractérisation des plasmas de silicium photoionisés étudiés sur Z-pinch en relation avec des observations astrophysiques.