Interaction rayonnement-matière
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Interaction rayonnement-matière

Zone d'’interaction laser - jet supersonique (A. Gonin, IRAMIS).

Lumière - Photosciences : La lumière intervient directement dans de nombreux processus physiques et chimiques ; elle est aussi un formidable outil d’investigation de la matière sous toutes ses formes. Les photosciences à l'IRAMIS recouvrent l’ensemble des études qui considèrent l’interaction lumière-matière en tant que processus fondamental et outil d’analyse.
Neutrons : Les faisceaux de neutrons permettent d'explorer la matière. Ils sont plus particulièrement sensible à l a présence d'éléments légers et au magnétisme.
Electrons : Les faisceaux d'électrons sont à l'origine de nombreuses techniques de microscopie (Microscopie électronique à transmission, à électrons lent pour l'étude des surfaces, et aussi d'irradiation (plateforme SIRIUS du LSI (implantée au LSI, Ecole Polytechnique, Palaiseau).
Ions : Les faisceaux d'ions permettent de façonner la matière, et les microfaisceaux permettent de réaliser des structures de taille submicronique. C'est aussi le moyen de modifier la texture des matériaux ou encore de réaliser des dopages de manière parfaitement controlée.
 
#76 - Màj : 05/10/2015
Faits marquants scientifiques

La recherche de l'origine de la vie demande d'identifier chaque étape élémentaire d'une longue chaine de processus pouvant, à partir des atomes issus de la nucléosynthèse au cœur des étoiles (essentiellement de l'hydrogène au fer) ou sous l'effet de l'explosion finale des supernovæ (éléments lourds au-delà du fer), conduire à la formation des générations successives de molécules de plus en plus complexes, pour aboutir aux molécules constitutives du vivant telles qu'elles sont présentes sur Terre. Il existe de nombreuses preuves montrant que les premières étapes, jusqu'à la formation d'acides aminés, peuvent se produire dans l'espace.

Au-delà, l'évolution vers des molécules de complexité croissante passe par la création de liaisons peptidiques permettant l'assemblage d'acides aminés. L'équipe du CIMAP, en association avec des équipes de l'Université Autonome de Madrid, montre par des travaux couplant expérience et théorie que les collisions de particules alpha (ou noyau d'hélium) ayant des énergies typiques des vents stellaires peuvent former dans l'espace des liaisons peptidiques au sein d'agrégats d'acides aminés.


The search for the origin of life requires the identification of each elementary step in a long chain of processes that can, from the atoms resulting from nucleosynthesis within stars (mainly from hydrogen to iron) or in the final explosion of supernovae (heavy elements beyond iron), lead to the formation of successive generations of increasingly complex molecules, to arrive at the constituent molecules of life as they are present on Earth. There is ample evidence that the first steps, up to the formation of amino acids, may occur in space.

Beyond that, the evolution towards molecules of increasing complexity involves the creation of peptide bonds allowing the assembly of amino acids. The CIMAP team, in association with teams from the Autonomous University of Madrid, shows, through work combining experience and theory, that collisions of alpha particles (i.e. helium nuclei) with amino acid aggregates at energies typical of stellar winds can form peptide bonds in space.

Les faisceaux d'ions énergétiques font partie des rayonnements ionisants, capable de produire des ions lors de leur interaction avec la matière. L'interaction ion-atome ou molécule cible doit avant tout être bien comprise pour maitriser les processus mis en jeu. Ainsi, de nombreuses études de la fragmentation de molécules isolées induite par l'absorption de rayonnement fournissent une vue détaillée du processus.

Mais qu’en est-il lorsque cette molécule est environnée et constitue un élément d’un solide ou d’un liquide ? Cette question est primordiale pour de nombreuses applications en chimie sous rayonnement ou radiobiologie.

Les expériences menées au CIMAP, en collaboration étroite avec l’Institut of Modern Physics de Lanzhou en Chine, montrent que suite à une irradiation d'une molécule par des ions énergiques, certaines voies réactives ne sont ouvertes, qu'en présence d'un environnement, tel qu'on le trouve au sein d'un dimère.


Energetic ion beams are part of ionizing radiations, able to produce ions when interacting with matter. The interaction between one ion and individual target atom or molecule must first be well understood to master the processes involved. Many studies have given a detailed picture of isolated molecule dissociation induced by ionizing radiation absorption.

However, what may occur if that molecule has an environment, as it is the case in a solid or a liquid? This question is of importance in many situations such as radiation chemistry or radiobiology.

Experiments carried out at CIMAP, in close collaboration with the Institute of Modern Physics in Lanzhou, China, show that following irradiation with energetic ions, reactive pathways can be opened only in the presence of the environment.

Experiments carried out at CIMAP, in close collaboration with the Institute of Modern Physics in Lanzhou, China, show that following the irradiation of molecules by energetic ions, some reactive pathways are only opened in the very presence of an environment, such as that found in a dimer.

M. Ruminy, S. Guitteny, J. Robert, L.-P. Regnault, M. Boehm, P. Steffens, H. Mutka, J. Ollivier, U. Stuhr, J. S. White, B. Roessli, L. Bovo, C. Decorse, M. K. Haas, R. J. Cava, I. Mirebeau, M. Kenzelmann, S. Petit, and T. Fennell

Tb2Ti2O7 presents an ongoing conundrum in the study of rare-earth pyrochlores. Despite the expectation that it should be the prototypical unfrustrated noncollinear Ising antiferromagnet on the pyrochlore lattice, it presents a puzzling correlated state that persists to the lowest temperatures. Effects which can reintroduce frustration or fluctuations are therefore sought, and quadrupolar operators have been implicated. One consequence of strong quadrupolar effects is the possible coupling of magnetic and lattice degrees of freedom, and it has previously been shown that a hybrid magnetoelastic mode with both magnetic and phononic character is formed in Tb2Ti2O7 by the interaction of a crystal field excitation with a transverse-acoustic phonon. Here, using polarized and unpolarized inelastic neutron scattering, we present a detailed characterization of the magnetic and phononic branches of this magnetoelastic mode, particularly with respect to their composition, the anisotropy of any magnetic fluctuations, and also the temperature dependence of the different types of fluctuation that are involved. We also examine the dispersion relations of the exciton branches that develop from the crystal field excitation in the same temperature regime that the coupled mode appears, and find three quasidispersionless branches where four are expected, each with a distinctive structure factor indicating that they are nonetheless cooperative excitations. We interpret the overall structure of the spectrum as containing four branches, one hybridized with the phonons and gaining a strong dispersion, and three remaining dispersionless.

https ://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.224431

La filière nucléaire produit des déchets nucléaires de natures très variées qui sont aujourd'hui entreposés dans des sites sécurisés. Dans le cadre de la loi de 2006 relative à la gestion durable des matières et des déchets radioactifs, ces déchets nucléaires doivent être repris et conditionnés pour leur stockage définitif selon les normes d’entreposage actuelles.

Les déchets peuvent être compactés au sein d'une matrice en verre ou cimentaire, cette dernière présentant plusieurs avantages de coût et de stabilité au cours de la mise en œuvre du procédé, mais dont il faut maitriser la tenue à l'irradiation. Une étude conduite au cours d'une thèse au Laboratoire des Solides Irradiés du CEA, permet d'orienter le choix de la meilleure variété cimentaire et de préciser son procédé d'élaboration, pour obtenir une structure résistante à l’irradiation jusqu’à au moins 300 MGy*. À très forte dose (3 GGy), des effets microstructuraux, incluant la possibilité de désordre local, sont observés. Cependant, aucune amorphisation et aucune nouvelle phase ne sont constatées, ce qui permet de conclure que les hydrates étudiés peuvent résister aux conditions d’irradiation au cours du stockage.

 

Le collagène est la protéine la plus abondante dans le corps humain, et sa structure particulière en triple hélice est à l’origine de propriétés mécaniques spécifiques au cartilage (élasticité, robustesse…), dont il est le composant majoritaire. Une collaboration entre physiciens, chimistes et radiobiologistes du laboratoire CIMAP étudie depuis quelques années l’irradiation du cartilage afin d’améliorer le traitement des tumeurs associées par hadronthérapie. Dans ce contexte, des expériences ont été menées sur des systèmes moléculaires isolés modèles de la triple hélice du collagène. Les résultats montrent que cette structure existe en l’absence de tout solvant, et que ses propriétés de stabilité sont les mêmes que dans les tissus biologiques. L’hypothèse longtemps admise d’une influence de l’eau est donc sans doute à exclure.

 

Three-legged 2,2′-bipyridine monomer at the air/water interface: monolayer structure and reactions with Ni(II) ions from the subphase,
Wenyang Dai, Lay-Theng Lee, Andri Schütz, Benjamin Zelenay, Zhikun Zheng, Andreas Borgschulte, Max Döbeli, Wasim Abuillan, Oleg V. Konovalov, Motomu Tanaka and A. Dieter Schlüter, Langmuir, 2017, 33 (7),  1646

The behavior of compound 2 [1,3,5-tri(2,2′-bipyridin-5-yl)benzene] with three bipyridine units arranged in a star geometry is investigated in the presence and absence of Ni(ClO4)2. Its properties at the air–water interface as well as after transfer onto a solid substrate are studied by several techniques including Brewster angle microscopy, X-ray reflectivity, neutron reflectivity, X-ray photoelectron spectroscopy, Rutherford backscattering spectrometry, and atomic force microscopy combined with optical microscopy. It is found that compound 2 within the monolayers formed stays almost vertical at the interface and that at high Ni2+/2 (Ni2+/2 = 4000, 20′000) ratios two of the three bipyridine units of 2 are complexed, resulting in supramolecular sheets that are likely composed of arrays of linear metal–organic complexation polymers.

Les nouvelles technologies permettant de stocker ou transmettre de l'information sont en plein essor. Pour poursuivre l'effort de recherche associé, plusieurs pistes sont explorées, en particulier la manipulation de courants polarisés en spin (spintronique) ou encore l'exploitation des états spécifiques électroniques de surface, tels que l'on peut les trouver dans les isolants topologiques, matériaux isolant en volume, mais possédant des états de conduction de surface.

Cependant, maitriser, sans champ magnétique appliqué, la polarisation en spin des états électroniques dans la matière, n'est pas une chose aisée. Une collaboration de physiciens rassemblés autour du projet FemtoARPES, a permis une avancée dans ce domaine : en alliant isolants topologiques (chalcogénures de bismuth) et excitation laser (impulsions femtoseconde), ils montrent qu'il est possible de peupler sélectivement les états électroniques excités de surface et d'obtenir un gaz bidimensionnel d'électrons, où chaque état est parfaitement polarisé en spin, et de relativement longue durée de vie. Au-delà du résultat fondamental, cette observation est un pas supplémentaire vers l'exploitation d'états quantiques polarisés en spin, dans le traitement de l'information.

Les sources d’électrons pulsées représentent une alternative intéressante aux sources de photons X pulsées basées sur des systèmes laser de haute intensité.

Nous décrirons les méthodes actuelles de génération de paquets d’électrons ainsi que les techniques de caractérisation des paquets. Les résolutions temporelles et spatiales ultimes qu’il est possible d’atteindre à ce jour seront discutées. Nous exposerons les résultats obtenus lors de notre dernière campagne de mesure sur le serveur ELYSE de l’Université Paris-Sud en 2014, en collaboration avec une équipe de l’ISMO et la start-up ITEOX. Finalement, quelques applications seront mises en perspective.

L’imagerie par diffraction cohérente est une technique d’imagerie relativement récente permettant d’obtenir des résolutions spatiales de l’ordre de la longueur d’onde car elle se passe de l’emploi d’éléments optiques potentiellement aberrants. Ainsi, nous avons pu démontrer il y a quelques années une résolution spatiale meilleure que 100 nm en utilisant le rayonnement XUV issu de la génération d’harmoniques d’ordre élevé d’un laser infrarouge (HHG). Cependant, dans les schémas usuels, la résolution est limitée par la largeur spectrale de la source. Nous présenterons un schéma holographique d’imagerie sans lentille permettant de profiter à la fois des propriétés spectrales et temporelles de la HHG. Un placement astucieux de la référence holographique permet ainsi soit de réaliser des mesures résolues spatialement et spectralement en une impulsion laser unique, soit de combiner résolutions spatiale nanométrique et temporelle sub-femtoseconde.

Contact : Willem Boutu (LIDYL/Atto)

Avec son énergie considérable, un photon de l’ultraviolet extrême ionise toutes les molécules, indépendamment du détail de leur structure énergétique. Pour cette raison les impulsions lumineuses ultrabrèves dans ce domaine spectral sont sans égal pour sonder les processus photochimiques.  Elles donnent notamment accès à des informations sur la structure d’intermédiaires réactionnels éphémères dont les propriétés spectroscopiques sont hors d’atteinte. Grâce à une collaboration entre le Laboratoire interactions, dynamique et lasers – LIDyL (CEA), le Centre lasers intenses et applications - CELIA (CNRS/CEA/Univ. Bordeaux), le synchrotron SOLEIL, et le Laboratoire collisions, agrégats, réactivité - LCAR (CNRS/Univ. Toulouse 3) nous venons de mettre au point une nouvelle source réalisable en laboratoire et qui délivre des impulsions brillantes, cohérentes, ultrabrèves et de polarisation quasi-circulaires dans l’ultraviolet extrême. Pour cela, nous avons utilisé la génération résonante d’harmoniques d’ordre élevé émises par un gaz soumis à des impulsions laser intenses. Aujourd’hui, de la lumière polarisée circulairement n’est produite dans cette gamme de rayonnement que par quelques grands instruments comme les synchrotrons et, à l’exception notable de quelques lasers à électrons libres, uniquement de manière quasi-continue. Les propriétés de polarisation spécifiques de cette nouvelle source laissent envisager des études pompes sonde de processus ayant lieu dans des molécules chirales, c’est-à-dire les molécules qui ne sont pas leur propre image dans un miroir. Le rôle prépondérant de ces molécules en chimie organique et biologie laisse entrevoir de nombreuses applications.

 

http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n2/full/nphoton.2014.314.html

Nous relatons ici une expérience qui s'est déroulée sur l'installation LULI-2000 pendant l'année 2014. L'interaction d'un faisceau laser de 30 à 400 J pendant 1.5 nanoseconde crée un plasma des matériaux sondés qui est analysé à environ 500 µm en avant du point d'impact. Une partie des diagnostiques sert à la caractérisation du plasma, interféromètre, sondes Thomson ionique et électronique, pyromètre optique résolu en temps, et par ailleurs un spectromètre X-dur pour les mesures d'émission spectrale. Les résultats de cette expérience sont confrontés aux simulations utilisant un code hydrodynamique et deux codes "atomiques".

On décrit la réalisation et l’optimisation d’un dispositif original de doublement de fréquence large bande, d’impulsions ultra courtes (longueur d’onde de l’impulsion fondamentale 800 nm, durée FTL 45 fs). Le principe repose sur l’utilisation d’un rayonnement fondamental chirpé en fréquence, de fronts d’impulsion tiltés et d’une géométrie non colinéaire. La géométrie non colinéaire permet, avec un choix judicieux de l’angle entre les deux faisceaux à la fréquence fondamentale, de réaliser au premier ordre l’égalité des vitesses de phase et de groupe dans le cristal doubleur. Il en découle la possibilité d’employer des cristaux notablement plus épais qu’en géométrie colinéaire sans diminution du spectre en fréquence et par conséquent de réduire l’éclairement incident nécessaire pour atteindre un rendement de conversion donné. En limitant l’éclairement incident sur le cristal doubleur (ici LBO ou BBO), on peut éviter les processus non linéaires « parasites » d’ordre supérieur. On montre analytiquement que la durée du second harmonique (ici à la longueur d’onde de 400 nm) peut être sensiblement plus courte que celle de l’onde fondamentale. Expérimentalement, en bon accord avec les prévisions des simulations numériques, des impulsions de 30 à 35 fs à 400 nm (durée FTL après re-compression), avec un profil spatial d’excellente qualité ont été obtenues. Avec un cristal de LBO de 6 mm d’épaisseur et de 40 mm de diamètre, des énergies de l’ordre de 20 mJ par impulsion ont été atteintes sur LUCA à 400 nm. Le principe de la méthode peut a priori être étendu au cas du triplement voire du quadruplement de fréquence.

Un enjeu majeur pour l'étude des interactions laser-matière à ultrahaute intensité est de trouver des méthodes simples pour à la fois contrôler ces interactions, et les caractériser à de très petites échelles spatiales (micron) et temporelles (attoseconde à femtoseconde). Dans ce contexte, on montre comment, grâce à une mise en forme très simple d'un faisceau laser femtoseconde de haute puissance, on peut générer des 'réseaux plasmas' résistant à des impulsions laser ultraintenses, à la surface d'une cible initialement plane (lame de verre). En exploitant une technique d'imagerie par diffraction appelée ‘ptychographie’, ces réseaux plasma transitoires peuvent alors être utilisés comme objets diffractants pour reconstruire spatialement, en amplitude et en phase, le champ harmonique En(x) généré à la surface de la cible. Ces résultats dépassent largement les objectifs initiaux du projet initial.

Optically controlled solid-density transient plasma gratings,
S. Monchocé, S. Kahaly, A. Leblanc, L. Videau, P. Combis, F. Réau, D. Garzella, P. D’Oliveira, Ph. Martin, and F. Quéré, Phys. Rev. Lett. 112 (2014) 145008.

 

Voir aussi :

Ptychographic measurements of ultrahigh-intensity laser–plasma interactions
A. Leblanc, S. Monchocé, C. Bourassin-Bouchet, S. Kahaly & F. Quéré, Nature Physics (2015)
 

Contact CEA  : Fabien QUERE

 

 

Pour observer des phénomènes ultrarapides tels que le mouvement des électrons au sein de la matière, les chercheurs ont besoin de sources capables de produire des rayonnements lumineux extrêmement brefs et énergétiques. Si des dispositifs capables d’émettre des impulsions dans le domaine de l’attoseconde (10-18 seconde) existent déjà, de nombreuses équipes s’efforcent de repousser les limites de leur intensité et de leur durée.

 

 

Un des axes de recherche essentiel dans le domaine des  impulsions laser ultra-brèves (femtoseconde 10-15 s) concerne la stabilisation de la position de la porteuse dans l’enveloppe de l'impulsion (dite CEP pour "Carrier Envelope Phase"). Un procédé innovant pour corriger les fluctuations lentes de CEP est proposé par le CEA/SLIC (Saclay Laser-matter Interaction Centre)en collaboration avec la Société Amplitude Technologies (AT). Il est fondé sur l’utilisation de l’effet électro-optique (EO) linéaire, qui permet d’envisager la réalisation d'un système correctif compact, simple et à coût modéré et dont le temps de réponse rend possible un fonctionnement à taux de répétition élevé.

C. Bartolacci1, M. Laroche1, H. Gilles1, S. Girard1, T. Robin2, B. Cadier2 et A. Buisson3

1Equipe Lasers, Instrumentation Optique et Applications (LIOA), CIMAP / ENSICAEN, 6 BLVD Maréchal Juin, 14050  Caen  cedex,

2 iXFiber,  rue Paul Sabatier,  22300  Lannion  ixfiber

3 Laboratoire CI-NAPS, Centre CYCERON, Boulevard Becquerel, 14052 Caen cedex

Contact : David Garzella

G. Lambert1,2,3, T. Hara2,4, D. Garzella1, T. Tanikawa2, M. Labat1,3, B. Carre1, H. Kitamura2,4, T. Shintake2,4, M. Bougeard1, S. Inoue4, Y. Tanaka2,4, P. Salieres1, H. Merdji1, O. Chubar3, O. Gobert1, K. Tahara2, M.-E. Couprie3

1Service des Photons, Atomes et Molécules, DSM/DRECAM, CEA-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
2RIKEN SPring-8 Centre, Harima Institute, 1-1-1, Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5148, Japan
3Groupe Magnétisme et Insertion, Synchrotron Soleil, L'Orme des Merisiers, Saint Aubin, 91192 Gif-sur-Yvette, France
4XFEL Project Head Office/RIKEN, 1-1-1, Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5148, Japan

H. Gilles, S. Girard, M. Laroche, A. Belarouci CIMAP, Caen

La microscopie optique de type SNOM ("Scanning Near-field Optical Microscopy" ou "Microscopie optique en champ proche") permet d'atteindre des résolutions spatiales bien inférieures à la longueur d'onde de la lumière utilisée. En effet grâce à l'éclairement "en champ proche" (quand la distance entre l'objet et la source est très inférieure à la longueur d’onde) il devient possible de s'affranchir de la diffraction inhérente à tout système optique. La mesure du champ évanescent à l'arrière d'une interface en réflexion totale permet ainsi d'obtenir une image SNOM avec une résolution bien inférieure au micromètre.

 

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