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Relaxation électronique dans des biomolécules en phase gazeuse, une modélisation de la stabilité photochimique des constituants du vivant.
Electronic relaxation in gas phase bio-relevant systems: toward a modeling of photochemical stability of life.

Spécialité

Physique moléculaire

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-04-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BRENNER Valérie
+33 1 69 08 37 88

Résumé/Summary

Calcul des états excités de systèmes d'intérêt biologique - Détermination des mécanismes de relaxation - Dynamique non-adiabatique et méthode "Coupled Cluster" (CC)
Computational study of excited states of bio-relevant systems - Ab initio investigations of the nonradiative relaxation mechanisms - Non-adiabatic dynamics and size-extensive Coupled Cluster (CC) methods.

Sujet détaillé/Full description

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 ce stage est donc de mettre au point 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, il est en relation directe avec des expériences de spectroscopies menées dans l'équipe, expériences utilisant les récents développements des techniques expérimentales de spectroscopie en phase gazeuse.
Many complex molecular systems absorbing light in the near UV spectral range, including those of paramount biological importance, like DNA bases or proteins, are endowed with mechanisms of excited-state deactivation following UV absorption. These mechanisms are of major importance for the photochemical stability of these species since they provide them a rapid and efficient way to dissipate the electronic energy in excess into vibration, thus avoiding photochemical processes to take place and then structural damages which affect the biological function of the system. In this context, the study of gas phase bio-relevant systems such peptides as proteins building blocks should lead to better understanding the photophysical phenomena involved in the relaxation mechanisms of life components. The focus of this work concerns the implementation of a computational strategy to both characterize the first excited states and simulate their potential energy surfaces in order to determine the relaxation pathways. This theoretical research project contains then the development, evaluation and validation of modern quantum chemical methods dedicated to excited states. It will be backed up by key gas phase experiments performed in the two partner teams of this project, experiments using recent development of the spectroscopic techniques in gas phase.

Mots clés/Keywords

Modélisation, Chimie Physique
Simulation, Physcical Chemistry

Compétences/Skills

Chimie Quantique Simulation numérique - Station de travail et/ou supercalculateur
Quantum Chemistry Simulation - Local computer and/or supercomputer

Logiciels

Logiciels de Chimie quantique (TURBOMOLE, GAUSSIAN) Logiciels de visualisation

Dynamique ultrarapide de relaxation d'édifices nanométriques isolés en phase gazeuse
Ultrafast relaxation dynamics of isolated nanostructrures in the gas phase

Spécialité

Chimie-physique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-03-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

POISSON Lionel
+33 1 69 08 51 61

Résumé/Summary

Ce sujet est expérimental. Il porte sur la dynamique femtoseconde et picoseconde de nanoparticules isolées en phase gazeuse. Celle-ci est initiée et sondée dans le domaine temporel par la technique pompe/sonde grâce à un dispositif qui associe lasers femtosecondes, jet moléculaire et imagerie de vitesse de photo-électrons et photo-ions.
This experimental project deals with the ultrafast reaction dynamics of isolated nanoparticules in the gas phase. The time resolved pump/probe method is used. It is coupled with velocity map imaging of electrons and ions to characterize the photoelectrons and photoions collected.

Sujet détaillé/Full description

La dynamique réactionnelle est une composante importante de la chimie-physique fondamentale. Elle s’intéresse au comportement d'un système moléculaire ou atomique soumis à une excitation externe. Nous nous intéressons plus particulièrement à la dynamique réactionnelle de systèmes isolés (en phase gazeuse) et aux temps très courts (10 fs à 100 ps). Ce sujet porte sur l'étude d'édifices nanométriques isolées, soumises à une excitation électronique. Il pourra s'agir d'agrégats atomiques, moléculaires ou de nanoparticules. Selon leur nature, ces dernières peuvent être isolantes (nanocristal moléculaire par exemple), conductrices (Or par exemple) ou semi-conductrices (Silicium par exemple). Bien que le stage soit centré sur des considérations très fondamentales, il est utile de souligner que de telles nanoparticules sont utilisées, entre autre, comme constituants de cellules photovoltaïques solaires, ou dans des constituants d'ordinateurs quantiques.

Dans ce type d'assemblages, les molécules ou atomes qui les constituent sont proches les uns des autres. En conséquence, leurs orbitales excitées se recouvrent et il est attendu que l'arrivée d'un photon excite non pas un seul constituants mais une superposition cohérente de plusieurs d'entre eux, autrement dit, l'excitation électronique crée un exciton qui, en diffusant dans le matériaux, peut se localiser sur un constituant particulier. Il est alors intéressant de mesurer le temps pris par cette évolution. Le stage portera donc sur l'étude de la formation et la relaxation d'un exciton dans une nanoparticule.
In fundamental physical chemistry, reaction dynamics address the behavior of a molecular or atomic structure subject to an energy deposition. Our research Group focusses on isolated structures (in the gas phase) at short time scales (10fs to 100 ps). This project aims at studying isolated nanostructures after an electronic excitation. Atomic or molecular clusters and nanoparticules will be investigated. Depending on their electronic structures the relaxation dynamics of these species is expected to be quite different. For example, salt nanoparticules should behave differently than gold nanoparticules which have a metal structure. Although the objective of this project is fundamental research, it is useful to mention that the nanoparticles that we shall study can find an application as as constituents in photovoltaic cells and quantum computers.

In such structures, electronic orbitals overlap. Hence, electronic states interact strongly and build excitonic states. Excitons are thus formed upon electronic excitation. The latter are expected to scatter in the material and to relax as localized excited state. This project will focus on this relaxation dynamics that is worth to study.

Mots clés/Keywords

Dynamique Réactionnelle, Femtochimie, excitons

Compétences/Skills

Lasers Femtoseconde, technique pompe/sonde, jet moléculaire, lentille aérodynamique

Spectroscopie laser de paires d'ions isolées et microsolvatées
Laser spectroscopy of isolated and microsolvated ion pairs

Spécialité

Chimie-physique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-03-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GLOAGUEN Eric
+33 1 69 08 35 82

Résumé/Summary

Ce stage porte sur la caractérisation par spectroscopie laser IR et UV de paires d'ions moléculaires isolées et microsolvatées. L'objectif est de décrire l'effet d'un contre-ion sur le repliement d'un ion moléculaire, et de caractériser l'organisation locale du solvant autour des ions appariés.
This project aims at studying isolated and microsolvated molecular ion pairs by IR and UV spectroscopy. Several model systems will be investigated to unravel the effect of a counterion on the folding of a molecular ion, and characterize the local organization of the solvent molecules around the paired ions.

Sujet détaillé/Full description

Les paires d'ions sont des objets supramoléculaires omniprésents dans la Nature, depuis l'eau de mer et les aérosols, jusqu'aux organismes vivants. Ces ions appariés constituent les toutes premières étapes de la cristallisation des espèces ioniques, influencent les propriétés des solutions concentrées en ions ou des liquides ioniques, et jouent ainsi un rôle majeur dans d'innombrables applications. Bien qu'étant rencontrées dans de nombreux domaines de la Physique, la Chimie ou la Biologie, leur caractérisation est rendue compliquée par la coexistence de plusieurs types de paires ainsi que par leur nature transitoire en solution. La phase gazeuse présente, en revanche, l'avantage de pouvoir examiner individuellement ces paires d'ions à l'échelle de l'atome par des études de spectroscopie IR et UV. Cette approche, combinée à des calculs de chimie quantique, permet de caractériser la structure de paires d'ions moléculaires flexibles, et d'analyser les interactions non covalentes qui gouvernent leur forme [1].

Le sujet du stage porte sur l'étude de plusieurs systèmes modèles qui permettra d'estimer l'effet du contre-ion sur le repliement d'un ion moléculaire et de décrire l'organisation locale du solvant autour des ions appariés. Le projet principal sera expérimental et permettra de maîtriser un ensemble varié d'équipements (lasers OPO IR, laser à colorant UV, spectromètre de masse à temps de vol, jet moléculaire) et de techniques (désorption laser, spectroscopie double résonance IR/UV, formation des systèmes isolés complexes en phase gazeuse). Le stage permettra également d'aborder le volet théorique de l'étude, donnant ainsi à l'étudiant une vision d'ensemble d'un projet scientifique où expériences et calculs de chimie quantique se complètent.

http://iramis-i.cea.fr/LIDyL/
http://iramis.cea.fr/Pisp/70/eric.gloaguen.html
[1] Habka, S.; Brenner, V.; Mons, M.; Gloaguen, E. Journal of Physical Chemistry Letters 2016, 7, 1192.


Ion pairs are ubiquitous supramolecular objects in Nature, from sea water and aerosols, to living organisms. These paired ions are the very first step of crystallisation of ionic species, they influence the properties of ion-concentrated solutions or ionic liquids, and play a key role in countless applications. Although they are met in many areas of Physics, Chemistry and Biology, their characterisation is complicated by the co-existence of several types of pairs and their elusive nature in solution. Gas phase studies, however, can investigate neutral ion pairs at the atomic scale by IR and UV laser spectroscopy. Combined to quantum chemistry calculations, this approach can characterize the structure of flexible molecular ion pairs, and analyse the main non-covalent interactions that control their shape [1].

This project aims at studying the effect of a counterion on the folding of a molecular ion, and at describing the local organization of the solvent molecules around the paired ions for a few model systems. The main work will be experimental, and will enable the master student to gain experience on a set of various instruments (OPO lasers, dye lasers, mass spectrometer, molecular beam) and techniques (laser desorption, IR/UV double resonance spectroscopy, formation of complex systems in the gas phase). This project will also address theoretical aspects, giving to the student an overview of a scientific project where quantum chemistry calculations and laser spectroscopy complement each.

http://iramis-i.cea.fr/LIDyL/
http://iramis.cea.fr/Pisp/70/eric.gloaguen.html

[1] Habka, S.; Brenner, V.; Mons, M.; Gloaguen, E. Journal of Physical Chemistry Letters 2016, 7, 1192.


Mots clés/Keywords

Physico-Chimie Moléculaire
Molecular Physical-Chemistry

Compétences/Skills

Spectroscopie Laser - Spectrométrie de masse - Désorption laser - Jets moléculaires - Chimie quantique - Champs de forces polarisables
Laser Spectroscopy - Mass spectrometry - Laser Desorption - Molecular Beams - Quantum Chemistry - Polarizable Force Field

Logiciels

Turbomole, Tinker, Labview

Repliement moléculaire assisté par un hétéroatome soufre : caractérisation des interactions intramoléculaires de foldamères par modélisation à l'échelle atomique
Sulfur-assisted molecular folding : characterisation of the intramolecular interactions of foldamers by atomic scale modelling

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

14-03-2018

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MONS Michel
+33 1 69 08 20 01

Résumé/Summary

L'objectif du stage visera à caractériser les liaisons H intramoléculaires à une série de briques élémentaires de foldamères, toutes contenant un hétéroatome S. Pour chacune d'elles, le paysage conformationnel sera exploré en vue de détecter l'émergence de repliements originaux.
The aim of the internship will be to characterize the intramolecular H-bonding in a series of building blocks of foldamers, all of them containing a S heteroatom. For each of them, their conformational landscape will be explored, in order to detect the emergence of original folding properties.

Sujet détaillé/Full description

Le groupe « Structures BioMoléculaires du LIDYL est impliqué dans une action, financée par l'ANR, visant à optimiser la conception de foldamères, c'est-à-dire, de polymères adoptant des structures secondaires variées, comme des hélices ou des rubans. La démarche s'articule selon trois niveaux, chacun d'eux comportant : i) une modélisation théorique caractérisant les systèmes, ii) leur synthèse et iii) leur caractérisation par spectroscopie laser, notamment.
Le premier niveau traitera des briques élémentaires de ces foldamères et des liaisons Hydrogène qui les stabilisent. Le second traitera des dimères de ces briques élémentaires, notamment pour documenter leur flexibilité et comprendre comment les liaisons H internes aux briques élémentaires la contrôlent. Enfin, dans un troisième temps des oligomères de plus grande taille seront considérés.
L'objectif du stage se concentrera sur le premier niveau et visera à caractériser les liaisons H internes à une série de briques élémentaires de foldamères, toutes contenant un hétéroatome S. Pour chacune d'elles, le paysage conformationnel sera exploré avec une description énergétique réalisé par les méthodes de champs de force, puis raffiné au niveau chimie quantique. Le spectre infrarouge de chacune des conformations moléculaires importantes sera obtenu par chimie quantique, en vue de la confrontation avec des spectres obtenus par spectroscopie laser.
Au cours du stage, le candidat c se formera à l'utilisation de logiciels de :
- calcul de structure moléculaire, au niveau champs de force (AMBER, TINKER) et au niveau chimie quantique (TURBOMOLE),
- calcul des fréquences des modes de vibration des molécules.
- visualisation des structures (Discovery Studio) et des interactions intramoléculaires (NCI-plot)

The "BioMolecular Structures” group at LIDYL is involved in an ARN-funded project aiming at optimizing the design of foldamers, that is, polymers adopting various secondary structures, such as helices or ribbons. The approach is articulated in three levels, each of which comprises: i) a theoretical modeling characterizing the systems, ii) their synthesis and iii) their experimental characterization, in particular using laser spectroscopy.
The first level will deal with the building blocks of these foldamers and the hydrogen bonds which stabilize them. The second will deal with the dimers of these elementary bricks, in particular to document their flexibility and to understand how the internal H bonds to the elementary bricks control it. Finally, in a third stage, oligomers of larger size will be considered.
The objective of the internship, focused on the first level, will consist in characterizing the intramolecular H bonds in a series of foldamer building blocks, all containing a S heteroatom. For each of them, the conformational landscape will be explored, using an energetic description based on the force field methods, then refined at the quantum chemistry level. The infrared spectrum of each of the most stable molecular conformations will be obtained by quantum chemistry, in the perspective of a comparison with spectra obtained by laser spectroscopy in the laboratory.
During the course, the candidate will be trained to use several softwares dedicated to :
- calculation of molecular structures, at the force field (AMBER, TINKER) and quantum chemistry (TURBOMOLE) levels,
- calculation of the frequencies of the vibration modes of the molecules (Turbomole).
- visualization of structures (Discovery Studio) and of intramolecular interactions (NCI-plot)

Mots clés/Keywords

Chimie physique ; Foldamères ; chimie théorique ; Modélisation
Physical chemistry ; Foldamers ; Theoretical chemistry ; Modeling

Compétences/Skills

Au cours du stage, le candidat se formera à l'utilisation de logiciels de : - calcul de structure moléculaire, au niveau champs de force (AMBER, TINKER) et au niveau chimie quantique (TURBOMOLE), - calcul des fréquences des modes de vibration des molécules. - visualisation des structures (Discovery Studio) et des interactions intramoléculaires (NCI-plot)
During the course, the candidate will be trained to use several softwares dedicated to : - calculation of molecular structures, at the force field (AMBER, TINKER) and quantum chemistry (TURBOMOLE) levels, - calculation of the frequencies of the vibration modes of the molecules (Turbomole). - visualization of structures (Discovery Studio) and of intramolecular interactions (NCI-plot)

Logiciels

See above

Spectroscopie et dynamique de molécules attachées à des gouttelettes d'hélium
Spectroscopy and dynamics of molecules embedded in helium droplets

Spécialité

Physique moléculaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

16-03-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BRIANT Marc
+33 1 69 08 81 21

Résumé/Summary

Ce stage portera sur des problématiques fondamentales en physico-chimie moléculaire avec comme objectif d'identifier et de modéliser les facteurs qui influent sur une réaction chimique, en particulier les facteurs structuraux.
The objective of this internship is to identify and to understand the processes that are turned on when a molecule or a molecular assembly absorbs light within a helium droplet. These studies are motivated by fundamental physical chemistry considerations on the structure and dynamics of systems with many degrees of freedom.

Sujet détaillé/Full description

Ce stage portera sur des problématiques fondamentales en physico-chimie moléculaire avec comme objectif d’identifier et de modéliser les facteurs qui influent sur une réaction chimique, en particulier les facteurs structuraux.

Le travail, essentiellement expérimental, va utiliser des gouttelettes d'hélium comme support de réaction après y avoir déposé la molécule ou l'assemblage de molécules dont nous voulons étudier le comportement. En pratique, les gouttelettes d'hélium sont générées par condensation lors de la détente supersonique d'hélium gazeux refroidi. Jouer sur les conditions de la détente permet d'ajuster la taille des gouttelettes. Le faisceau passe ensuite à travers plusieurs zones de piégeage collisionnel ce qui permet de déposer des molécules réactives ou des molécules de solvant dans les gouttelettes. Une technique développée dans notre laboratoire permet de connaître exactement le nombre de molécules déposées qui participe au processus étudié. La stoechiométrie des processus étudiés dans ces gouttelettes est donc bien définie. Les processus que nous observons sont induits par absorption de lumière de longueur d'onde appropriée ce qui permet deux types d'expériences. L'une est une expérience de dynamique réactionnelle lorsque l'absorption de lumière induit un processus réactif dont la dynamique informe sur le jeu de forces responsable de cette réaction.
La seconde est une expérience de spectroscopie lorsque la lumière absorbée sert simplement à évaporer la gouttelette d'hélium. Mesurer la disparition de la gouttelette en fonction de la longueur d'onde du laser d'excitation revient à mesurer le spectre d'absorption de la molécule ou du système moléculaire hébergé dans la gouttelette. De tels spectres apportent une information structurale importante. Ces expériences sont conduites sur plusieurs dispositifs expérimentaux existants.
Le stage portera en priorité sur le second aspect. Son prolongement en thèse (sous condition de l'obtention d'une bourse) pourra faire appel au premier type d'expériences. Le(a) candidat(e) intéressé(e) doit postuler avant la fin du mois de décembre de l'année en cours.
This internship will focus on basic problems in molecular physical chemistry with the aim to identify and model the factors that influence a chemical reaction, in particular the structural factors.

This work is primarily experimental. It uses helium droplets as reaction medium after the molecule or the molecular assembly of interest was deposited on these droplets. In practice, helium droplets are generated by a supersonic expansion. By playing with the expansion conditions, we can adjust the size of the droplets. Then, the beam passes through several areas of collisional trapping which allows reagent molecules and solvent molecules to be deposited in the droplets. A technique, which was originally developed in our laboratory allows a strict determination of the number of deposited molecules which participated to the process under study, hence giving access to the stoichiometry of this processes which are studied in these droplets is well defined. The latter are induced by absorption of light of appropriate wavelength by the molecular system under study. This allows one to perform two types of experiments. One is a reaction dynamics experiment when the light absorption induced a reactive process whose dynamics informs on the set of forces responsible for this reaction.
The second is a spectroscopy experiment when the absorbed light simply evaporates the helium droplet. In the latter case, measuring the droplet evaporation as a function of the wavelength of the excitation laser is a direct measurement of the absorption spectrum of the molecules or the molecular assembly which is hosted by the droplet. Such spectra provide important structural information. These experiments are conducted on several existing experimental devices.

The intership will focus primarily on the second aspect and its extension as a PhD thesis will call the first type of experiences. Of course, continuation of the internship by a PhD thesis assumes that a scholarship is obtained. Candidates have to apply before the end of December of the current year.

Mots clés/Keywords

Chimie-physique, spectroscopie moléculaire, dynamique réactionnelle, laser, spectrométrie de masse, jet supersonique, cryogénie
Physical-chemistry, molecular spectroscopy, reaction dynamics, laser, mass spectrometry, supersonic jet, cryogenics.

Compétences/Skills

Physique moléculaire
Molecular Physics

Logiciels

C, Word, Excel

Spectrométrie temps réel Raman des NOx en solution concentrée d'acide nitrique
Real time Raman spectroscopy of NOx in concentrated nitric acid

Spécialité

Chimie analytique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28-02-2018

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BALDACCHINO Gerard
+33 1 69 08 57 02

Résumé/Summary

Le projet expérimental consiste en l'étude par spectrométrie Raman du vieillissement de solutions d'acide nitrique concentrées
The project is experimental and consists in a study by Raman spectrometry of the aging of concentrated nitric acid solutions

Sujet détaillé/Full description

Dans les procédés de retraitement des combustibles nucléaires usés, les solutions d'acide nitrique subissent les rayonnements ionisants issus des isotopes actifs. Ces solutions produisent outres des radicaux libres de l'eau (ROS), des composés azotés (RNS) dont la plupart sont des oxydes (NOx). Le suivi de ces NOx en temps réel, en même temps que le rayonnement interagit avec la solution, permet de suivre l'état de décomposition de ces solutions. D'un point de vue des mécanismes chimiques, l'identification des NOx et la détermination de leur rendement radiolytique primaire permet de modéliser et de simuler à long terme le vieillissement des solutions de retraitement.
L'étudiant devra dans un premier temps effectuer une bibliographie fouillée tant sur les mécanismes connus de radiolyse des solutions d'acide nitrique que sur la technique Raman et la détection des NOx. La mise en oeuvre d'un spectromètre Raman fibré devra lui permettre de valider une méthode d'acquisition en temps réel en la caractérisant et en l'appliquant à des solutions réelles non actives.

Mots clés/Keywords

Chimie Physique, Chimie des solutions, Radiochimie, Chimie sous Rayonnement

Compétences/Skills

Spectrométrie Raman, Spectroscopies UV-Visible d'absorption, de fluorescence

Logiciels

Word, Excel, L'étudiant utilisera le logiciel des spectromètres (Raman, UV-Visible...)

Photo-ionisation de gaz atomiques/moléculaires par impulsions attosecondes
Photo-ionization of atomic/molecular gases using attosecond pulses

Spécialité

Interaction laser-matière

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-03-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SALIERES Pascal
+33 1 69 08 63 39

Résumé/Summary

A l'aide d'impulsions attosecondes produites avec un laser Titane:Saphir intense (FAB1 d'Attolab), l'étudiant(e) étudiera la dynamique d'ionisation de gaz atomiques et moléculaires près des résonances. L'objectif est de mesurer en temps réel l'éjection du paquet d'onde électronique et de 'voir' comment se construit le profil de ces résonances.
Using the attosecond pulses produced with an intense Titanium:Sapphire laser (FAB1 of Attolab), the student will investigate the ionization dynamics of atomic and molecular gases close to resonances. The objective is to measure in real time the ejection of the electronic wavepacket and to 'see' the buildup of the resonance profile.

Sujet détaillé/Full description

Ces dernières années, la génération d'impulsions sub-femtosecondes, dites attosecondes (1 as=10^-18 s), a connu des progrès spectaculaires. Ces impulsions ultrabrèves ouvrent de nouvelles perspectives d'exploration de la matière à une échelle de temps jusqu'alors inaccessible. Leur génération repose sur la forte interaction non linéaire d'impulsions laser infrarouges (IR) brèves (~20 femtosecondes) et intenses avec des gaz atomiques ou moléculaires. On produit ainsi les harmoniques d'ordre élevé de la fréquence fondamentale, sur une large gamme spectrale (160-10 nm) couvrant l'extrême ultraviolet (UVX). Dans le domaine temporel, ce rayonnement cohérent se présente comme un train d'impulsions d'une durée de ~100 attosecondes [1].

Avec ces impulsions attosecondes, il devient possible d'étudier les dynamiques les plus rapides dans la matière, celles associées aux électrons, qui se déroulent naturellement à cette échelle de temps. La spectroscopie attoseconde permet ainsi l'étude de processus fondamentaux tels que la photo-ionisation et s'intéresse à la question : combien de temps faut-il pour arracher un électron à un atome ou une molécule ? Plus précisément : combien de temps faut-il à un paquet d'onde électronique produit par absorption d'une impulsion attoseconde pour sortir du potentiel atomique/moléculaire ? La mesure de ces délais d'ionisation est actuellement un sujet « chaud » dans la communauté scientifique. En particulier, l'étude de la dynamique d'ionisation près des résonances permettrait d'accéder à des informations très fines sur la structure atomique/moléculaire, telles que les réarrangements électroniques dans l'ion suite à l'éjection d'un électron. Nous nous sommes récemment intéressés à l'ionisation près d'une résonance d'auto-ionisation dite « de Fano ». Nous avons montré par ionisation à 2 photons UVX+IR qu'il était possible de « voir » en temps réel la construction du profil de la résonance [2]. L'objectif du stage est de généraliser cette technique pour étudier d'autres types de résonances atomiques et moléculaires, telles que les résonances de forme. Seront également étudiées les possibilités de contrôle de la photo-ionisation résonante en jouant sur l’intensité du champ laser IR superposé à l'impulsion attoseconde.

Le travail expérimental comprendra la mise en oeuvre d'un dispositif, installé sur le laser FAB1 d'Attolab, permettant : i) la génération d'impulsions attosecondes ; ii) sa caractérisation par interférométrie quantique ; iii) son utilisation en spectroscopie de photoionisation (détection d'électrons). Les aspects théoriques pourront également être abordés. L'étudiant(e) sera formé(e) en optique ultrarapide, physique atomique et moléculaire, et acquerra une bonne maitrise de la spectroscopie de particules chargées. La poursuite en thèse est souhaitée.

Références :
[1] Y. Mairesse, et al., Science 302, 1540 (2003)
[2] V. Gruson, et al., Science 354, 734 (2016)
Recently, the generation of sub-femtosecond pulses, so-called attosecond pulses (1 as=10−18 s), has made impressive progress. These ultrashort pulses open new perspectives for the exploration of matter at unprecedented timescale. Their generation result from the strong nonlinear interaction of short intense laser pulses (~20 femtoseconds) with atomic or molecular gases. High order harmonics of the fundamental frequency are produced, covering a large spectral bandwidth in the extreme ultraviolet (XUV) range. In the temporal domain, this coherent radiation forms a train of 100 attosecond pulses [1].

With such attosecond pulses, it becomes possible to investigate the fastest dynamics in matter, i.e., electronic dynamics that occur naturally on this timescale. Attosecond spectroscopy thus allows studying fundamental processes such as photo-ionization, in order to answer questions such as: how long does it take to remove one electron from an atom or a molecule? More precisely: how long does it take for an electron wavepacket produced by absorption of an attosecond pulse to exit the atomic/molecular potential? The measurement of such tiny ionization delays is currently a “hot topic” in the scientific community. In particular, the study of the ionization dynamics close to resonances would give access to detailed information on the atomic/molecular structure, such as the electronic rearrangements in the remaining ion upon electron ejection. Recently, we have studied an auto-ionizing resonance, so-called “Fano resonance”. We have shown through 2-photon XUV+IR ionization that it is possible to observe in real time the buildup of the resonance profile [2]. The objective of the training period is to generalize the technique to the study of other types of atomic/molecular resonances, such as shape resonances. Further studies will be devoted to the possibility of controlling resonance ionization by playing on the intensity of the IR laser field superposed on the attosecond pulse.

The experimental work will include the operation of a setup installed in the FAB1 laser of Attolab allowing: i) the generation of attosecond XUV radiation, ii) its characterization using quantum interferometry, iii) its use in photo-ionization spectroscopy (electron detection). The theoretical aspects could also be developed. The student will be trained in ultrafast optics, atomic and molecular physics, and will acquire a good mastery of charged particle spectrometry. The continuation on a PhD project is advised.

References :
[1] Y. Mairesse, et al., Science 302, 1540 (2003)
[2] V. Gruson, et al., Science 354, 734 (2016)

Mots clés/Keywords

Laser femtoseconde, impulsions attosecondes, photo-ionisation, gaz atomiques/moléculaires, résonance
Femtosecond laser, attosecond pulses, photo-ionization, atomic/molecular gases, resonance

Compétences/Skills

Laser femtoseconde intense, jet de gaz atomiques/moléculaires, techniques du vide, interférométrie, spectrométrie de photons UVX, spectrométrie d’électrons
Intense femtosecond laser, atomic/molecular gas jets, vacuum technology, interferometry, spectrometry of XUV photons, electron spectrometry

Logiciels

Labview, python

Génération d'impulsions attosecondes dans des réseaux transitoires
Generation of attosecond pulses in transient gratings

Spécialité

Interaction laser-matière

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

31-05-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

RUCHON Thierry
+33 1 69 08 70 10

Résumé/Summary

Au cours de ce stage l'étudiant(e) mettra en place, sur un laser femtoseconde intense, un dispositif interférométrique pour étudier, lors de la génération d'impulsions attosecondes, les couplages entre moment angulaires orbitaux et de spin de la lumière. Ce stage d'abord expérimental mettra en jeu des concepts d'optique non linéaire, d'optique quantique et d'interaction laser matière.
During this training, the student will set up, on an intense femtosecond laser, an interferometric device to study, during the generation of attosecond pulses, the couplings between angular orbital moment and spin angular moment of light. This experimental training will require concepts of nonlinear optics, quantum optics and laser-matter interaction.

Sujet détaillé/Full description

Ces dernières années, la génération d’impulsions sub-femtosecondes, dites attosecondes (1as=10−18s), a connu des progrès spectaculaires. Ces impulsions ultrabrèves ouvrent de nouvelles perspectives d’exploration de la matière à une échelle de temps jusqu’alors inaccessible. Leur génération repose sur l’interaction très fortement non linéaire d’impulsions laser brèves (10 à 50 femtosecondes) et intenses avec des gaz atomiques ou moléculaires. On produit ainsi les harmoniques d’ordre élevé de la fréquence fondamentale, sur une large gamme spectrale (160-10 nm) couvrant l’extrême ultraviolet (UVX). Dans le domaine temporel, ce rayonnement cohérent se présente comme un train d’impulsions d’une durée de quelques 100 attosecondes [Mairesse03]. Une des voies d'application de ces impulsions est leur utilisation dans des schémas pompe-sonde. Un échantillon de gaz est porté dans un état excité par une première impulsion IR et une deuxième, l'impulsion attoseconde, vient le sonder à un délai ajustable, moins d'une femtoseconde plus tard. L'impulsion attoseconde ayant un spectre dans l'XUV elle photoionise les échantillons. Il y a donc deux façons de "lire" l'interaction: en analysant le défaut de photons transmis ou les photoélectrons émis. Jusqu'à présent, ces techniques ont été utilisées en sondant la matière avec un rayonnement attoseconde polarisé linéairement et présentant un front d’onde à symétrie cylindrique. Récemment, nous avons étendu la gamme de ces expériences en utilisant d’une part des impulsions polarisées circulairement [Ferré15], d’autre part, des impulsions dont le front d’onde est hélicoïdal [Géneaux16, Gauthier17]. Alors que les premières sont associées à des photons portant un moment angulaire de spin, les secondes correspondent à des photons portant un moment angulaire orbital. Les perspectives sont à la fois appliquées, en particulier à la femtochimie de molécules chirales, et fondamentales, en particulier liées aux lois de conservation des moments angulaires dans les processus d’optique non linéaire.

Au cours de ce stage, nous proposons de mettre en place un dispositif optique original permettant de tester les lois de conservation des moments angulaires au cours du phénomène extrêmement non linéaire à la base de la synthèse d’impulsions attosecondes, la génération d’harmoniques d’ordre élevé (GHOE). Nous mettrons en œuvre deux faisceaux femtoseconde (≃ 25 fs) intenses, qui se croiseront dans un gaz atomique où aura lieu la GHOE. À cet endroit, les deux faisceaux formeront un réseau transitoire dont nous varierons l’épaisseur et la profondeur. Chacun des deux faisceaux portera un moment angulaire de spin et/ou un moment angulaire orbital, ajustable rapidement. Le diagnostic de l’interaction se fera à la fois par polarimétrie du rayonnement XUV, et par mesure du moment angulaire orbital par interférométrie. Outre les aspects fondamentaux mis en jeu, la mise au point de cette technique ouvrira des champs d'explorations nouveaux comme par exemple l'étude de biréfringences ou dichroïsmes transitoires attosecondes qui donneront une nouvelle image des processus à l'œuvre dans des systèmes asymétriques à cette échelle de temps. Cette source ionisant toute la matière, les dichroïsmes seront aussi détectables sur les asymétries de rendements d’électrons dans des détecteurs de particules chargées (VMIS). Cette deuxième voie d’analyse, que nous avons récemment commencé à explorer [Gruson16], demandera des développements expérimentaux spécifiques qui se feraient dans le cadre d’une thèse. Ce stage sera effectué sur les lasers FAB1 & 10 d’Attolab

Compétences développées :

Le ou la stagiaire acquerra une pratique de l’optique des lasers femtoseconde et des techniques de spectrométrie de particules chargées. Il ou elle étudiera également les processus de physique des champs forts sur lesquels se basent les théories de génération d'harmonique élevées. Finalement des développements théoriques pourront également être inclus selon les goûts du ou de la candidat(e). La poursuite en thèse est souhaitée.

Compétences requises :

Des compétences en optique, physique atomique et moléculaires seront appréciées.
Références :

[ Ferré15] Ferré, A. et al.: , 2015. Nature Photonics, 9, 93.
[Gauthier17] Gauthier, D. et al.: , 2017. Nature Communications, 8.
[Géneaux16] Géneaux, R. et al.: , 2016. Nature Communications, 7, 12583.
[Gruson16] Gruson, V. et al.: , 2016. Science, 354(6313), 734.
[Mairesse03] Mairesse, Y. et al.: , 2003. Science, 302, 1540.
Summary
In recent years, the generation of sub-femtosecond pulses, so-called attoseconds (1as = 10-18s), has seen spectacular progress. These ultra-short pulses open up new prospects for the exploration of matter on a previously inaccessible scale of time. Their generation is based on the highly nonlinear interaction of short (10 to 50 femtosecond) intense laser pulses with atomic or molecular gases. The high-order harmonics of the fundamental frequency are produced over a wide spectral range (160-10 nm) covering the extreme ultraviolet spectral range (UVX). In the temporal domain, this coherent radiation appears as a train of light pulses lasting some 100 attoseconds [Mairesse03]. One way of applying these pulses is their use in pump-probe schemes. A gas sample is brought into an excited state by a first IR pulse and a second attosecond pulse, is shine at an adjustable delay, less than one femtosecond later. The attosecond pulse having a spectrum in the XUV it photoionizes the samples. There are thus two ways of "reading" the interaction: by analyzing the defect of transmitted photons or the photoelectrons emitted. Until now, these techniques have been used by probing the material with linearly polarized attosecond radiation having a cylindrical symmetric wavefront. Recently, we have extended the range of these experiments using, on the one hand, circularly polarized pulses [Ferré15] and, on the other hand, pulses whose wave front is helical [Géneaux16, Gauthier17]. While the former are associated with photons carrying an angular spin moment, the latter correspond to photons carrying an orbital angular momentum. The prospects are both applied, in particular to the femtochemistry of chiral molecules, and fundamental, in particular related to the laws of conservation of angular moments in the processes of nonlinear optics.

During this training, we propose to set up a unique optical device to test the laws of conservation of the angular momenta during the extremely nonlinear phenomenon at the base of the synthesis of attosecond pulses, the generation of high order harmonics (HHG). We will use two femtosecond (≃ 25 fs) intense beams, which will intersect in an atomic gas where the HHG will take place. At this point, the two beams will form a transient grating whose thickness and depth will be adjustable. Each of the two beams will carry an angular moment of spin and / or an orbital angular moment, adjustable rapidly. The diagnosis of the interaction will be carried out by both polarimetry of the XUV radiation and by measurement of the orbital angular momentum by interferometry. In addition to the fundamental aspects involved, the development of this technique will open new fields of investigation, such as the study of birefringences or transient attosecond dichroism which will give a new image of the processes at work in asymmetric systems at this time scale. This source ionizing any material, dichroisms will also be detectable on the asymmetries of electron yields in charged particle detectors (VMIS). This second path of analysis, which we have recently begun to explore [Gruson16], will require specific experimental developments that would take place within the framework of a Phd thesis. This traingin will be hosted on Attabab FAB1 & 10 lasers

Acquired know-hows:

The trainee will acquire a practice of femtosecond lasers and charged particle spectrometry techniques. He or she will also study strong fields physics on which the high harmonic generation is based. Finally, theoretical developments may also be included depending on the candidate's tastes. The pursuit in PhD thesis is desired.

Required skills:
Skills in optics, atomic and molecular physics will be appreciated.

References :
[Ferré15] Ferré, A. et al.: , 2015. Nature Photonics, 9, 93.
[Gauthier17] Gauthier, D. et al.: , 2017. Nature Communications, 8.
[Géneaux16] Géneaux, R. et al.: , 2016. Nature Communications, 7, 12583.
[Gruson16] Gruson, V. et al.: , 2016. Science, 354(6313), 734.
[Mairesse03] Mairesse, Y. et al.: , 2003. Science, 302, 1540.

Mots clés/Keywords

Physique attoseconde, optique non linéaire, optique quantique
Attosecond physics, non linear optics, quantum optics

Compétences/Skills

Laser femtosecondes Génération d'harmoniques d'ordre élevé Interféromètres Détecteurs de particules chargés Méthodes du vide Modélisation (Python)
Ultra short lasers Interferometers Charged particle detectors Vacuum methods Modelling (Python)

Logiciels

Python

 

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