Résumé :

L’étudiant-e utilisera les techniques laser attoseconde pour étudier les dynamiques ultrarapides de molécules en phase liquide et gazeuse. La photoionisation attoseconde en couche interne sera utilisée pour étudier en temps réel : les dynamiques de diffusion/réarrangement/transfert d’électrons, ainsi que les effets de solvatation.



Sujet détaillé :

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). Cette radiation de haute énergie est capable d’ioniser des électrons localisés dans les couches internes des molécules. Dans le domaine temporel, ce rayonnement cohérent se présente comme des 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 aux questions telles que : Combien de temps faut-il pour arracher un électron à un atome ou une molécule ’ Et comment le nuage électronique se réarrange-t-il ’ Ces questions sont devenues des sujets « chauds » dans la communauté scientifique mais ont pour le moment été étudiées dans des systèmes isolés, en phase gazeuse [2,3]. Des technologies d’échantillonnage de pointe nous permettent maintenant d’étudier ces dynamiques électroniques dans un milieu solvaté où le comportement des électrons sur ces échelles de temps attoseconde est inconnu. Quels transferts d’énergies ou bien d’électrons s’opèrent en 10-18 secondes ’ Peut-on mesurer des effets de diffusion électronique dans un liquide ’ Ces questions sont un nouveau challenge pour notre domaine sur le plan expérimental et théorique.



L’objectif de la thèse est tout d’abord de mettre en œuvre les techniques attosecondes établies en phase gazeuse en phase liquide. Deux détections complémentaires seront utilisées, la détection de photoélectron et l’absorption transitoire. En combinant les informations obtenues par chaque technique, nous serons capables de mesurer la diffusion du photoélectron après sa création mais aussi le devenir de la molécule ionisée : réarrangements/transferts d’électrons, effets de solvatation.



Le travail expérimental comprendra le développement et la mise en œuvre d’un dispositif, installé sur le laser FAB100 de l’Equipement d’Excellence ATTOLab, permettant : i) la génération de rayonnement attoseconde ; ii) sa caractérisation par interférométrie quantique ; iii) son utilisation en spectroscopie de photoionisation et d’absorption. Les aspects théoriques seront également développés. L’étudiant-e sera formé-e en optique ultrarapide, physique atomique et moléculaire, chimie quantique, et acquerra une large maitrise des techniques de spectroscopie UVX et de particules chargées. Des connaissances en optique, optique non linéaire, physique atomique et moléculaire, sont une base requise.

Le travail de thèse pourra donner lieu à des campagnes d’expériences dans des laboratoires français et européens associés (Hambourg-DESY).



Références :

[1] Y. Mairesse, et al., Science 302, 1540 (2003)

[2] V. Gruson, et al., Science 354, 734 (2016)

[3] A. Autuori, et al., Science Advances 8, eabl7594 (2022)

La lumière dans l’extrême ultraviolet (XUV) constitue une sonde universelle de la matière, qu’elle se présente en phase diluée ou condensée : les photons associés à cette gamme spectrale portent une énergie de 10 à 100 eV, suffisante pour ioniser directement atomes, molécules ou objets solides. De grands instruments tels les synchrotrons ou les lasers à électrons libres (LEL) fonctionnent dans cette gamme spectrale et permettent d’étudier, tant du point de vue fondamental qu’appliqué, les interactions lumière-matière dans ce régime. Cependant, ces grands instruments n’offrent pas la résolution temporelle permettant d’atteindre les échelles de temps ultimes des interactions lumière-matière, situées dans la gamme attoseconde (1as=10-18s). Une alternative est offerte par le développement, ces dernières années, de sources XUV basées sur la génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG) d’un laser femtoseconde intense. Notre laboratoire a été pionnier pour le développement, le contrôle et la mise en forme de ces sources fournissant des impulsions XUV attosecondes.



Au cours de cette thèse, nous développerons des dispositifs spécifiques faisant porter à ces impulsions un moment angulaire, qu’il soit de spin ou orbital ou généralisé. Ceci ouvrira de nouvelles applications mettant en jeu des spectroscopies résolues en temps ignorées à ce jour. Cependant, l’accent sera mis, sur les aspects fondamentaux d’interaction lumière/matière dans le régime hautement non linéaire et ultra bref en présence de moment angulaire, en particulier les faisceaux présentant une topologie originale comme les rubans de Möbius de polarisation.



L’étudiant(e) acquerra une pratique de l’optique des lasers, en particulier femtoseconde, et des techniques de spectrométrie de particules chargées. Il (elle) étudiera également les processus de physique des champs forts sur lesquels se basent la génération d'harmonique élevées. Il/elle deviendra un(e) experte de la physique attoseconde. L’acquisition de techniques d’analyse approfondie, d’interfaçage d’expérience seront encouragées même si non indispensables.



Sujet détaillé à la page : http://iramis.cea.fr/LIDYL/Pisp/thierry.ruchon/