L’ionisation multiple moléculaire est détectée aisément avec des impulsions femtosecondes dans la gamme d’éclairement 1014-1015 Wcm-2.
Les petits ions moléculaires de charge supérieure à 3 sont en général instables et se fragmentent en ions atomiques, dont l’énergie cinétique est dominée par la répulsion coulombienne.
Cette fragmentation appelée explosion coulombienne a pour intérêt principal d’imager la structure moléculaire à condition que cette dernière n’évolue pas au cours de l’ionisation multiple.
C’est le cas lorsqu’un ion moléculaire accéléré à quelques pourcents de la vitesse de la lumière est épluché de ses électrons de valence à la traversée d’une feuille d’épaisseur de 30 Å [Science 244, 426].
Le temps d’épluchage inférieur à 100 attosecondes « gèle » la structure nucléaire de la molécule dont le temps d’évolution est de l’ordre de 10 femtosecondes.
Ce n’est plus le cas d’impulsions laser dans le visible et le proche infrarouge dont les périodes optiques et les durées d’impulsion appartiennent au domaine femtoseconde.
La molécule a le temps de s’étirer et l’explosion coulombienne est observée à des distances peu différentes d’un état de charge à l’autre,
mais plus grandes que les distances internucléaires d’équilibre de la molécule de départ.
Toutefois la simplicité de l’excitation laser comparée aux expériences requérant un accélérateur, la démonstration récente d’impulsions laser quasi monocycles de quelques femtosecondes, et la possibilité de combiner plusieurs impulsions avec une précision temporelle attoseconde pour l’étude de la dynamique d’états excités en font une perspective des plus prometteuses pour l’imagerie moléculaire.
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Le modèle communément admis est l’ionisation augmentée par résonance de charge développé par A. Bandrauk et coll. dans le cas de l’ionisation de H2+ donnant deux protons et un électron. Ce modèle a été étendu à la fragmentation symétrique d’un ion diatomique A2(2q)+ suivant le schéma d’ionisation A2(2q-1)+®Aq++Aq++e–.
Ce modèle est plus délicat pour une fragmentation asymétrique, par exemple A++A2+, car le potentiel asymétrique vu par l’électron partant modifie notablement la dynamique en comparaison du cas symétrique.
Notre but est de tester ces voies asymétriques dans les molécules linéaires symétriques comme N2, O2, ou CO2, avec une impulsion laser spatialement asymétrique obtenue en superposant de manière cohérente la fréquence fondamentale et la seconde harmonique.
La symétrie moléculaire initiale est primordiale afin de ne pas favoriser une orientation donnée lors des premières étapes d’ionisation. Les premiers résultats montrent que pour les voies de fragmentation de type A+A2+ et A++A2+ (A=N, O) dans N2 et O2, l’ion de charge la plus élevée est émis préférentiellement dans le sens de l’asymétrie du champ. Bien que cette observation aille dans le sens d’un déplacement électronique suivant le champ laser, elle s’accorde mal avec un modèle d’ionisation à un seul électron actif à partir de voies dissociatives de type A+A+ ou A++A+.
Par ailleurs, l’orientation des voies asymétriques suivant le champ est plus marquée aux faibles énergies de fragmentation, c’est-à-dire à plus grande distance internucléaire. L’ensemble de ces résultats suggèrent un modèle d’ionisation à plusieurs électrons actifs avec possibilité de recapture électronique en fonction de la distance internucléaire.
Exemples expérimentaux
La figure ci-contre représente une carte de covariance en temps de vol pour l’identification des voies de fragmentation de O2, où les îlots de la carte en fausses couleurs à droite permettent de corréler les ions apparaissant dans le spectre de temps de vol à gauche.
La figure du bas à gauche montre le spectre des ions O2+ appartenant aux voies O+O2+ ou O++O2+.
La figure ci-dessus associée à ce spectre est une mesure différentielle de l’orientation spatiale de ces voies en fonction de l’asymétrie spatiale du champ.