Dynamique ultra-rapide en phase diluée et condensée
ATTOLab est une plateforme laser expérimentale du CEA/LIDYL, installée sur le site de l’Orme des Merisiers, et dédiée aux études interdisciplinaires de dynamique ultra-rapide – dynamique électronique et nucléaire aux échelles de temps femto- (10-15) et atto- (10-18) seconde – dans les systèmes en phase diluée et condensée.
ATTOLab est une plateforme ouverte aux utilisateurs nationaux dans le cadre du PEPR LUMA, et européens dans le cadre des réseaux LASERLAB-EUROPE et Lasers4EU.
Équipement d’excellence
ATTOLab a été créée dans le cadre d’un équipement d’excellence (Equipex 2012-2019) financé par le programme « Investissements d’Avenir » de l’Agence nationale de la Recherche (ANR). Le projet a réunit plusieurs laboratoires de l’Université Paris-Saclay et CY Cergy Paris Université, du CEA et du CNRS. Il était coordonné par le LIDYL. Son périmètre et son budget ont été élargis grâce au soutien du CEA, des collectivités locales (notamment SESAME de la Région Ile de France), de l’Université Paris-Saclay (LIDEX Opt2X), du LABEX PALM, et de plusieurs programmes blancs ANR.
Description de la plateforme
ATTOLab dispose de trois lignes laser Titane:Saphir qui pilotent trois lignes de lumière XUV attoseconde équipées d’une série de stations expérimentales pour l’étude des dynamiques ultrarapides en phases diluée et condensée. Les domaines d’application s’étendent des dynamiques de photoémission en champ faible ou fort, l’intrication attoseconde, l’attochimie et les dichroïsmes ultrarapides jusqu’aux dynamiques électroniques/de spin dans les matériaux quantiques.
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Les cadences disponibles en 2023 sont de 1 kHz et 10 kHz ; elles seront portées à 40 kHz et 100 kHz en 2024-25 dans le cadre d’une jouvence avec installation de 4 lasers Ytterbium postcomprimés d’une puissance totale de 260 W, co-financés par le PEPR LUMA et 2 bourses ERC Starting Grant.
3 lignes laser (Titane:Saphir) :
- (FAB1) 1 kHz, 25 fs, 15 mJ à 800 nm + (FAB1bis) 1 kHz, 25 fs, 3 mJ à 800 nm + (FAB10) 10 kHz, 25 fs, 2 mJ à 800 nm
- Stabilisation CEP
- Postcompression par fibre creuse : (FAB1) 3,5 fs, 2,5 mJ à 1 kHz + (FAB1bis) 4 fs, 1,5 mJ à 1 kHz
Evolution vers la technologie Ytterbium (2024-2025, voir ci-dessous) :
- Installation de 4 lasers Ytterbium : 3*80W + 20W, ~300 fs à 1030 nm
- Passage à 40 – 100 kHz des lignes fonctionnant actuellement à 1 – 10 kHz
- Postcompression par cellule multipassage à ~20 fs pour les 4 lasers
- Postcompression par fibre creuse des 2 lasers stabilisés en CEP à ~6 fs
3 lignes XUV par Génération d’Harmoniques d’ordre élevé dans les gaz :
- Gamme 10 eV-130 eV
- Génération d’un train d’impulsions attosecondes par sélection d’un groupe d’harmoniques XUV (filtres métalliques, miroirs multicouches XUV)
- Génération d’impulsions attosecondes isolées par impulsions laser postcomprimées
- Études multi-échelles grâce à un dispositif unique de sélection spectro-temporelle XUV permettant de basculer entre 3 modes de fonctionnement : ‘narrowband/broadband/very broadband’ correspondant à des résolutions temporelles de 10 fs/1 fs/100 as respectivement (10 kHz)
- Contrôle avancé des propriétés harmoniques : profil spatial/temporel/spectral, polarisation, moment angulaire orbital
Stations expérimentales :
- Phase diluée : spectromètres de particules chargées à bouteille magnétique (MBES), imageur des Vecteurs Vitesses (VMIS)
- Phase condensée : spectromètres EUV pour absorption/réflexion transitoire, spectromètre électronique résolu en angle (ARPES), spectromètre électronique à temps de vol résolu en spin (TOF-Spin), spectromètre électronique à temps de vol sur phase liquide
Domaines d’application :
- Spectroscopie attoseconde RABBIT de gaz atomiques et moléculaires
- Dynamique de photoémission atomique et moléculaire ultrarapide
- Spectroscopie harmonique de molécules alignées par laser
- Dynamique d’intrication et de décohérence ultrarapide
- Attochimie : migration de charge attoseconde et contrôle de la réactivité
- Spectroscopie ARPES résolue en spin de matériaux quantiques
- Spectroscopie d’absorption/réflexion transitoire ultrarapide
- Dichroïsme magnétique circulaire ultrarapide
- Dichroïsme hélicoïdal ultrarapide
Evolution à court terme (2024-25) :
Sélectionnée comme plateforme de l’Infrastructure ULTRAFAST-LUMA vague 1, ATTOLab bénéficie d’une jouvence de 2 lignes lasers avec l’installation de 2 lasers Ytterbium postcomprimés qui renforceront la fiabilité et la stabilité (<1%) des lignes XUV tout en augmentant la cadence maximale à 40-100 kHz au lieu de 1-10 kHz actuellement.
Ce gain en cadence/puissance moyenne XUV améliorera les conditions d’études de coïncidence de particules chargées en phase gazeuse (COLTRIMS) ou les études de photoémission en phase condensée limitées par la charge d’espace (ARPES et photoémission en phase liquide).
De plus, 2 bourses ERC Starting Grant ont récemment été obtenues au LIDYL : SPINFIELD (« Controlling spin angular momentum with the field of light », Romain Géneaux, 2021) et SATTOC (« Solution phase attosecond chemistry », Hugo Marroux, 2022).
Elles financent l’équipement de 2 nouvelles lignes XUV attoseconde pompées par des lasers Ytterbium postcomprimés afin d’étudier la dynamique attoseconde des spins électroniques dans les solides et la relaxation électronique ultrarapide de biomolécules en solution, respectivement.
Publications et Brevet illustrant l’offre scientifique et technique :
“Ultrafast Hidden Spin Polarization Dynamics of Bright and Dark Excitons in 2H-WSe2”, M. Fanciulli et al., Phys. Rev. Lett. 131, 066402 (2023).
« Nonlinear up-conversion of a polarization Möbius strip with half-integer optical angular momentum« , M. Luttmann et al., Science Advances 9, eadf3486 (2023).
“Quantum-Path Resolved Attosecond High-Harmonic Spectroscopy”, A. Camper et al., Phys. Rev. Lett. 130, 083201 (2023).
“Anisotropic dynamics of two-photon ionization: An attosecond movie of photo-emission”, A. Autuori et al., Science Advances 8, eabl7594 (2022).
“Observation of magnetic helicoidal dichroism with extreme ultraviolet light vortices”, M. Fanciulli et al., Phys. Rev. Lett. 128, 077401 (2022).
« Two-dimensional phase cartography for high-harmonic spectroscopy« , A. Camper et al., Optica 8, 308 (2021).
« Spin, time, and angle resolved photoemission spectroscopy on WTe2« , M. Fanciulli et al., Phys. Rev. Research 2, 013261 (2020).
“Quantifying Decoherence in Attosecond Metrology”, C. Bourassin-Bouchet et al., Phys. Rev. X 10, 031048 (2020).
Brevet FR3114389 : Procédé et appareil de contrôle du retard entre deux impulsions lumineuses à l’échelle attoseconde (2022).
Lignes de lumière attoseconde et stations d’accueil :
Ligne de lumière
Sélecteur spectro-temporel XUV fs-as
« Photoémission ultrarapide dans l’état solide » : exploration des nouvelles propriétés des matériaux quantiques
David Bresteau et al., Eur. Phys. J. Spec. Top. (2023)
Spin-ARPES :
Accès à la structure de bande résolue en spin et en temps dans les matériaux 2D (TMDCs…)
Mauro Fanciulli et al., PRL (2023)
Ligne de lumière
Postcompression à des impulsions de quelques cycles optiques
« Magnétisme ultrarapide et moment angulaire XUV »
Spectroscopie d’absorption/réflexion transitoire attoseconde
Projet : ERC StG 2021 Romain Géneaux « SPINFIELD »
Contrôle du moment angulaire de spin avec le champ de la lumière
Projet : ANR 2022 Thierry Ruchon « HELIMAG »
Dichroïsme hélicoïdal de structures magnétiques
Ligne de lumière
Projet : ERC StG 2022 Hugo Marroux « SATTOC »
« Spectroscopie d’absorption attoseconde en phase liquide »
Chimie attoseconde en phase liquide
Ligne de lumière
Configuration à double foyer permettant une détection synchrone dans deux spectromètres : 2 MBES ou MBES+VMIS
« Spectroscopie de photoémission attoseconde en phases gazeuse et liquide »
Délais d’ionisation et dynamiques attosecondes de photoémission dans les gaz et les solides
A. Autuori et al., Science Advances 8, eabl7594 (2022)
Dynamique d’intrication attoseconde
C. Bourassin-Bouchet et al., Phys. Rev. X 10, 031048 (2020).
Projet ANR 2020 « DECAP »
Recherche à Risque 2024 « IntriQ-ATTO » Pascal Salières et al.
Pour aller plus loin
Prix Nobel 2023 : portrait de Pierre AGOSTINI par ses collègues au CEA Saclay ;
Prix Nobel 2023: portrait d’Anne L’HUILLIER au CEA Saclay ;
Mercredi 12 Décembre 2018 : Symposium en hommage à Bertrand CARRE ;
Inauguration ATTOLab le Mercredi 22 Février 2017 ;
2016 : reportage du journal télévisé de France 3 ;
06 octobre 2015 – Film Attolab : observer les mouvements de la matière aux échelles ultimes ;