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Les propriétés chimiques, optiques et électroniques d’une molécule sont principalement déterminées par ses orbitales occupées de plus haute énergie. La manière dont ces orbitales évoluent, se forment ou se brisent, est une information essentielle pour la compréhension de mécanismes réactionnels. Observer ces dynamiques est un défi considérable, qui a motivé le développement de la spectroscopie attoseconde (10^-18 s), à même de fournir la résolution spatio-temporelle requise. Cependant, les techniques de cartographie actuelles sont unidimensionnelles, et ne peuvent capturer sans hypothèse préalable la fonction d’onde d’une orbitale moléculaire, une grandeur par essence complexe et multi-dimensionnelle.

Le groupe ATTO du LIDYL au CEA-Saclay, en collaboration avec le Laboratoire LCPMR, Sorbonne Université, et le LBNL de Berkeley en Californie, a développé une nouvelle approche de cartographie attoseconde, permettant de reconstruire avec grande précision des orbitales électroniques moléculaires à plusieurs dimensions [1]. Dans cette méthode, ici appliquée aux deux orbitales occupées les plus hautes en énergie (HOMO et HOMO-1) du diazote, les molécules à étudier sont alignées et soumises à un champ laser, donnant lieu à la génération de rayonnement extrême ultraviolet (UVX). L'analyse de l’intensité, de l'énergie de photon et de la phase de cette lumière UVX permet de reconstruire les orbitales mises en jeu dans cette émission de lumière.

L'observation de la dynamique électronique à l’échelle attoseconde (1 as = 10^-18 s) est aujourd'hui devenue possible sur des systèmes atomiques, puis moléculaires et en phase condensée, grâce à la disponibilité d’impulsions lumineuses de durées inférieures à la femtoseconde et utilisées dans des dispositifs pompe-sonde.

Après de spectaculaires démonstrations initiales, le domaine butte cependant aujourd’hui sur la nécessité d’acquérir des signaux de plus en plus faibles, ce qui requiert des temps d’accumulation de plus en plus longs, typiquement de quelques heures. Pour réduire ce temps, une première voie exploitée est d'augmenter la cadence des tirs. Une seconde consiste à stabiliser finement le délai entre les deux impulsions pompe (XUV) et sonde (IR), pour obtenir un signal accumulé de bien meilleure qualité.

Une nouvelle méthode efficace de stabilisation de ce délai vient d'être obtenue sur le laser FAB10 de la plateforme ATTOLab-Orme [5] : le mélange d'une impulsion harmonique XUV attoseconde et de l'impulsion IR de sonde photoionise des atomes de gaz rare selon plusieurs voies possibles qui interfèrent entre-elles. La mesure de l'état d'interférence pour plusieurs harmoniques donne une mesure très précise du délai entre les 2 impulsions, et fournit un bon signal de stabilisation par contre-réaction.

Sur plus d’une heure, le délai ainsi stabilisé montre des fluctuations d'amplitude réduite à 28 as RMS et des expériences de 3 heures avec cette précision ont été récemment réussies. Cette nouvelle technique, laisse augurer de la possibilité de mesures de dynamiques originales sur les lignes attosecondes de la plateforme ATTOLab au LIDYL.