1998-2001 - Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité

I
R
S
A
M
C
Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité
UMR 5589 (CNRS - Université de Toulouse 3)
Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité
UMR 5589 (CNRS – Université Toulouse 3)
Rapport d’activité
1998-2001
Table des matières
0.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Table des matières........................................................................................1
Organigramme de l’Unité.............................................................................3
Message du Directeur de l’Unité..................................................................5
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats...........................15
Interférométrie atomique et applications aux nanostructures ....................37
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent ......................65
Spectrométrie d’électrons dans les collisions.............................................95
Interactions Ion-Surface ...........................................................................111
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires........125
Collisions froides électron-molécules à haute résolution avec des
photoélectrons synchrotron....................................................................143
Publications de l’ensemble du laboratoire ...............................................151
Activités internationales des équipes .......................................................177
Bilan financier ..........................................................................................181
Bilan sur l’évolution du personnel de l’Unité ..........................................187
La formation dans l’Unité ........................................................................193
Compte-rendu du Conseil de laboratoire du 30 novembre 2001 .............195
Hygiène et sécurité ...................................................................................197
2
1. Organigramme de l'Unité
1.1.
Les équipes de recherche au 31 décembre 2001
Structure, dynamique et
thermodynamique des
agrégats
Optique atomique et
applications aux
nanostructures
Spectroscopie moléculaire
ultrarapide et contrôle
cohérent
•
LABASTIE
Pierre (PR)
•
VIGUE
Jacques (DR)
•
GIRARD
Bertrand (PR)
•
LE PADELLEC
Arnaud (MCF)
•
WEINER
John (PR)
•
BLANCHET
Valérie (CR)
•
L’HERMITE
Jean-Marc (CR)
•
RIZZO
Carlo (PR)
•
BOUCHENE
Aziz (MCF)
•
BÜCHNER
Matthias (CR)
•
HERISSON de BEAUVOIR
Béatrice (CR)
•
MATHEVET
Renaud (MCF)
•
DEGERT
Jérôme (Doctorant)
•
ROBILLIARD
Cécile (CR)
•
ZAMITH
Sébastien (Doctorant)
•
VIARIS DE LESEGNO
Bruno (ATER)
•
DELHUILLE
Rémi (Doctorant)
•
LEVEQUE
Gaëtan (Doctorant)
•
MIFFRE
Alain (Doctorant)
Spectrométrie d'électrons
dans les collisions
Interaction ion-surface
Théorie des processus
dynamiques dans les systèmes
moléculaires
•
BORDENAVE-MONTESQUIEU
Alain (DR)
•
BENAZETH
Claude (PR)
•
BESWICK
Alberto (PR))
•
BORDENAVE-MONTESQUIEU
Danièle (IR)
•
RICHARD-VIARD
Martine (CR)
•
LORENTE
Nicolas (MCF)
•
MORETTO-CAPELLE
Patrick (CR)
•
BENOIT-CATTIN
Pierre (PR émérite)
•
DAUDEY
Jean-Pierre (DR)
•
RENTENIER Arnaud
Arnaud (Doctorant)
•
ZIESEL
Jean-Pierre (DR)
•
LEPETIT
Bruno (CR)
•
CAFFARELLI
Pierre (MCF)
•
MEIER
Christoph (MCF)
•
NIEUWJAER
Nicolas (Doctorant)
•
DUPAYS
Arnaud (Doctorant)
•
GINDENSPERGER
Etienne (Doctorant)
Organigramme
1.2.
Les services communs
Soutien aux expériences
Atelier de mécanique
Atelier d’électronique
•
PAQUIER
Philippe (AI CNRS)
•
GIANESIN
Michel (T CNRS)
•
TRENEC
Gérard (IR CNRS)
•
RAVEL
Thierry (T UPS)*
•
CASTEX
Daniel (ADT UPS))*
•
POLIZZI
Laurent (T CNRS)
•
VOLONDAT
William (T UPS)
* Personnel UPS rattaché administrativement à l’IRSAMC
Service informatique
•
LAGARRIGUE
Roland (T UPS)
4
Administration
•
ROLLAND
Marie France (AI CNRS)
•
CLOUTOUR
Agnès (T CNRS)
2. Message du Directeur de l'Unité
2.1.
Historique du LCAR
Formé fin 1991 en regroupant le laboratoire de Collisions Atomiques de Toulouse
(URA 770) et une SDI créée pour une opération de délocalisation en 1990, le laboratoire
Collisions Agrégats Réactivité a connu une croissance très rapide puisque son effectif de
personnel permanent est passé de 15 personnes au 01/01/1992 (6 enseignants chercheurs, 5
chercheurs CNRS, 2 personnels IATOS et 2 ITA CNRS) à 36 personnes au 01/01/2002 (15
enseignants chercheurs, 12 chercheurs CNRS, 3 personnels IATOS et 6 ITA CNRS). Dans
une écrasante majorité, les recrutements qui ont alimenté cette croissance sont extérieurs et ce
mélange de cultures différentes contribue fortement au dynamisme du laboratoire.
2.2.
Activité scientifique
Le laboratoire est structuré autour de 5 équipes expérimentales et d'une équipe de
modélisation. Je vais rappeler très brièvement pour chaque équipe les thèmes de recherche, les
évolutions thématiques récentes et les résultats remarquables.
L'équipe "Structure, Dynamique et Thermodynamique des Agrégats" dont le
responsable est P. Labastie dispose d'un montage de spectroscopie laser d'agrégats produits
par vaporisation laser. Les expériences récentes ont porté sur la fragmentation des agrégats de
bromure d'argent et ont donné des résultats originaux en très bon accord avec les travaux
théoriques menés en collaboration avec le Laboratoire de Physique Quantique. Ces résultats
théoriques ont montré la non-validité de plusieurs études antérieures et ont dégagé
l'importance du rôle des électrons d dans les liaisons à caractère ionique dans ces agrégats.
Une forte évolution est en cours avec le démarrage d'études de spectroscopie femtoseconde,
qui utiliseront à terme une nouvelle source produisant en continu des agrégats thermalisés.
Cette source en cours de construction est aussi conçue pour l'étude de la thermodynamique et
du collage d'atomes sur des agrégats.
L'équipe de "Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent" (responsable
B. Girard) a connu de fortes évolutions au cours de la période concernée. L'installation dans
les nouveaux locaux à l'UPS a eu lieu fin 1997, ce qui a permis la mise en route complète de
sa chaîne laser amplifiée. Deux recrutements ont fortement renforcé le potentiel de l'équipe.
De nombreux développements instrumentaux ont alors pu être réalisés : Spectromètre de
photoélectrons-photoions, Amplificateur paramétrique Optique Non-colinéaire, SPIDER
(caractérisation complète d'impulsions). Les résultats scientifiques n'ont pas tardé à suivre :
observation de la précession de spin par dynamique pompe-sonde dans le potassium, contrôle
cohérent par utilisation d'impulsions à dérive de fréquence, avec mise en évidence de
transitoires cohérents dans les transitions à un photon dans le rubidium, observation
d'interférences entre excitation en échelons et excitation à deux photons directe dans le
sodium. Par ailleurs, les collaborations extérieures se sont poursuivies avec une des premières
études pompe-sonde réalisées dans le VUV (états de Rydberg de l'acétylène, avec D. Gauyacq
et A. L'Huillier), des études prospectives sur l'utilisation possible d'une molécule se
prédissociant pour stocker de l'information quantique (avec M. Vrakking et C. Meier).
5
Message du Directeur
L'équipe "Spectrométrie d'électrons dans les collisions", dont le responsable est
A. Bordenave-Montesquieu, a fait évoluer très fortement ses thèmes de recherche et ses
techniques expérimentales. Alors que son activité en 1998 était centrée sur la physique des
ions multichargés en interaction avec des atomes lourds, ses thèmes de recherche actuels et
ses projets concernent l'étude des collisions avec des molécules complexes (C60,
endofullerènes, molécules d'intérêt biologique). Elle a développé une technique de
coïncidences multistops électrons-fragments performante lui permettant d'analyser l'émission
simultanée d'électrons et de fragments chargés dans les collisions avec des ions. Parmi les
résultats originaux publiés on peut citer : la caractérisation très fine de la capture multiple
dans des états autoionisants (O8+-CO2), la première spectrométrie d'électrons dans la collision
O8+- C60, l'influence prépondérante de l'énergie déposée sur le spectre de fragmentation de la
molécule C60 (collisions avec divers ions monochargés). L'équipe continue de diversifier ses
axes de recherche en développant de nouveaux thèmes en collaboration avec plusieurs
laboratoires : dopage interne des molécules de fullerène par implantation d'ions, spectrométrie
d'électrons issus de l'interaction de protons avec des molécules d'intérêt biologique.
L'équipe "Interaction ion-surface" sous la responsabilité de C. Bénazeth et de
M. Richard-Viard étudie les interactions électroniques entre un ion et une surface, dans des
collisions sous incidence rasante. Un travail très original a été réalisé sur des surfaces
monocristallines d'halogénures alcalins (NaCl), avec la mise en évidence d'effets structuraux
très importants sur les fractions de charge, effets qui ont été modélisés. Ce travail se prolonge
actuellement par l'étude du processus d'échange de charge sur des surfaces nanostructurées, à
forte corrugation électronique : les faces (110) des métaux à structure c.f.c. (Ag, Cu...) sont
les premiers exemples actuellement étudiés. Les surstructures induites par adsorption
d'oxygène (ou co-adsorption métal et oxygène) sont des systèmes prometteurs pour leurs
propriétés électroniques particulières (transitions 3D-2D, 2D-1D, métal-isolant.....) et sont
l'objet des projets de recherche de cette équipe.
L'équipe "Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires" a
développé, suite à l'obtention d'une ACI blanche, une nouvelle opération de recherche dirigée
par N. Lorente sur l'étude des processus inélastiques induits par la technique STM dans des
nano-objets déposés sur des surfaces. Des résultats très intéressants ont déjà été obtenus pour
le cas de la molécule d'oxygène déposée sur une surface d'argent, où il a été montré que la
dynamique de dissociation dépend du sens du champ électrique entre la pointe du STM et la
surface.
La deuxième opération, dirigée par A. Beswick, a obtenu des résultats marquants dans
le domaine de la dynamique des processus ultrarapides induits par des impulsions laser, en
particulier sur les effets d'une impulsion à dérive de fréquence qui permet de détecter le sens
du mouvement d'un paquet d'ondes et sur le principe de contrôle cohérent avec des impulsions
taillées. Plus récemment, cette équipe a développé une méthode complètement nouvelle de
dynamique hybride quantique/classique en utilisant les trajectoires de de Broglie-Bohm, qui a
été appliquée avec succès à plusieurs systèmes modèles.
L'équipe "Optique atomique et applications aux nanostructures" est placée sous la
responsabilité de J. Weiner et de J. Vigué. La partie de l'équipe dirigée par J. Vigué a centré
son activité sur l'interférométrie atomique avec des travaux théoriques et la construction d'un
interféromètre atomique fonctionnant avec des atomes de lithium " chauds ". Cet appareil,
dont la construction a réellement débuté en 1998, a donné ses premiers signaux au printemps
2001. Ces signaux sont d’excellente qualité (intensité, contraste des franges) et vont permettre
d’entreprendre bientôt des mesures de haute sensibilité : mesure de la polarisabilité atomique,
6
Message du Directeur
de l’indice de réfraction pour les ondes atomiques, etc... En parallèle, une réflexion sur des
développements à plus long terme a été entreprise, toujours dans le domaine de
l’interférométrie atomique. D’autre part, C. Rizzo a pris l’initiative d’un projet ambitieux de
mesure de la Biréfringence Magnétique du Vide (projet BMV) en utilisant un champ
magnétique en impulsion : ce projet résulte d’une collaboration entre notre laboratoire, le
Laboratoire National des Champs magnétiques pulsés (LNCMP UMS 5642 à Toulouse), le
Laboratoire des Champs Magnétiques Intenses (LCMI UPR 5021 à Grenoble), et le Service
des Matériaux Avancés-VIRGO ( à l’IPN de Lyon) et, dans cette collaboration, notre
contribution est la construction ainsi que la mise au point de l’ellipsomètre utilisant une cavité
laser de très haute finesse.
Grâce à deux recrutements réalisés en 1999, l’équipe dirigée par J. Weiner a
commencé à développer ses projets expérimentaux sur la manipulation d’atomes par des
forces lumineuses, avec deux thématiques complémentaires, bien couplées au domaine de la
nanophysique. Un premier montage a été construit pour produire des dépôts nanostructurés
d'atomes de césium sur une surface d’arséniure de gallium, afin de construire des réseaux de
nano-émetteurs d'électrons. Une deuxième activité consiste à produire des atomes froids pour
les diffracter par un champ lumineux périodique de période sub-longueur d’onde produit par
le champ proche d’un réseau de nanostructures diélectriques. Une trappe magnéto-optique
pour le césium a été construite et les premiers nuages d’atomes froids ont été produits en
Novembre 2001.
Nos équipes ont donc largement renouvelé leurs thèmes de recherche durant les 4
années couvertes par le présent rapport. Cette évolution des thèmes s'accompagne aussi d'une
évolution des structures :
* je citerais un seul exemple, qui est la création d'une deuxième opération de recherche
de nanophysique dans l'équipe "Théorie des processus dynamiques dans les systèmes
moléculaires". Cette création vient en réponse au succès de N. LORENTE à l'ACI blanche du
MRT. Cette nouvelle opération de recherche, qui est commune avec le CEMES, devrait
naturellement être associée à l'Institut de Nanosciences, dont la création à Toulouse a été
annoncée conjointement par les Départements SPM et SC du CNRS en Décembre 2001.
* une réflexion sur les évolutions nécessaires au cours des prochaines années a été
entreprise et elle n’est pas terminée. Au cours de ces évolutions, il faudra essayer de concilier
au mieux de nombreux aspects, plus ou moins contradictoires : assurer aux opérations de
recherche un potentiel humain suffisant pour leur bon développement, procéder à des
réorganisations en fonction d'évolutions thématiques, avec éventuellement des essaimages ou
l'accueil de chercheurs, etc... Il semble bien difficile de planifier ces évolutions très à l'avance,
car le facteur humain, qui est certainement le plus important dans la dynamique des équipes
de recherche, échappe assez largement à la planification. Il est cependant certain que le
laboratoire doit aider activement ses jeunes permanents à mener une réflexion approfondie sur
leurs carrières de recherche.
2.3.
Relations locales, nationales et internationales
Les équipes du laboratoire ont un réseau très riche de relations de collaborations :
* Au niveau local, je crois intéressant de souligner que, en plus des relations
nombreuses, très fortes et suivies avec le laboratoire de Physique Quantique UMR 5626, de
nouvelles collaborations se développent rapidement : avec le CEMES et le LAAS autour des
nanostructures (resp : J. Weiner), avec le LNCMP autour de la mesure de la biréfringence
7
Message du Directeur
magnétique du vide (resp : C. Rizzo), avec le LPST et le LPMC sur les spectroscopies
optiques ultimes (resp : B. Girard), avec le CEMES et le réseau toulousain des nanotubes
dirigé par M. Monthioux (resp : A. Bordenave-Montesquieu). Deux de ces projets communs,
les nanostructures et les spectroscopies optiques ultimes, font partie des thèmes soutenus par
le Contrat de plan Etat Région 2000-2006, et dans un cas (les spectroscopies optiques
ultimes), c'est un membre de notre laboratoire (B. Girard) qui est responsable du projet.
* Au niveau national, les relations sont également fortes et nombreuses. L'équipe de P.
Labastie entretient depuis sa fondation une participation active au GDR " Agrégats " qui a été
récemment rejoint par l'équipe d'A. Bordenave-Montesquieu. L'équipe de B. Girard participe
aux travaux du Programme National de Chimie du Milieu Interstellaire (PCMI). Voici
brièvement résumés les thèmes de nos autres collaborations principales : spectroscopie
femtoseconde de la molécule d'acétylène avec D. Gauyacq (laboratoire de Photophysique
Moléculaire à Orsay, avec le soutien du Programme PCMI), collaboration avec JP Chambaret
(LOA Palaiseau) pour le développement et la construction d'un SPIDER, collaboration avec
S. Magnier (Univ. Metz, maintenant à Rennes) sur la dynamique pompe-sonde dans le dimère
de potassium, collaborations avec le LASIM à Lyon sur des thèmes variés (polarisabilité
d'agrégats d'halogénures d'alcalins avec Ph. Dugourd, imagerie d'électrons en spectroscopie
femtoseconde avec Ch. Bordas, collisions ions-C60 avec S. Martin), collaboration sur la
technique de détection en coïncidence avec A. Cassimi (CIRIL à Caen), collaboration avec J.
Belloni sur les agrégats d'AgBr (laboratoire de Chimie Physique à Orsay), collaboration avec
A. Dereux (équipe d'Optique submicronique au laboratoire de Physique de l'Université de
Bourgogne à Dijon), collaboration sur le rôle des excitations de plasmons dans le transfert de
charge sur les surfaces, avec H. Jouin (CELIA, Bordeaux dans le cadre d'une coopération
France-Chili), collaboration avec P.A. Hervieu et J. Hanssen (Metz) et M.F. Politis (Paris 6)
sur les collisions avec C60, collaboration avec J. P. Gauyacq (LCAM) sur les détecteurs à
ionisation de surface.
* Les collaborations internationales sont décrites dans les annexes de ce rapport. elles
sont très nombreuses, fortes et certaines de ces relations ont été vraiment très fructueuses, en
permettant le démarrage de nouvelles lignes de recherche. Cette annexe décrit également les
réseaux européens dont nos équipes font partie.
2.4.
Organisation de congrès
Le laboratoire a une politique active d'organisation de congrès :
Les journées PIM99 organisées par A. Bordenave-Montesquieu ont réuni 37
participants à Toulouse les 6 et 7 septembre 1999 : la plupart des équipes françaises, et deux
équipes belge et néerlandaise, travaillant sur le thème de la Physique des Ions Multichargés
étaient représentées.
Journées scientifiques sur la dynamique réactionnelle des Universités de Bordeaux,
Toulouse, Montpellier et Pau, Juillet 1998, organisées par J. A. Beswick.
DYNAM 2000, réunion organisé par C. Rayez, Cl. Leforestier et J. A. Beswick
(satellite du Xth International Conference on Quantum Chemistry) à Arcachon en Mai 2000.
MIC 2000 dont l'organisation sous la responsabilité de N. Halberstadt a commencé
avant son départ pour le LPQ UMR 5626 et cette organisation a été suivie jusqu'au bout par
notre administrateur Ph. Miroux : il s’agit d’une GORDON conférence consacrée aux
agrégats, qui a regroupé à Toulouse une centaine de chercheurs en Avril 2000.
8
Message du Directeur
Les applications de l'Optique Atomique aux Houches est une école de formation qui a
été organisée par J. Weiner, J. Vigué et D. Meschede en Juin 1999 aux Houches, avec environ
45 participants, dont une très forte participation étrangère.
Une Journée thématique sur la " Mise en forme temporelle et spectrale d'impulsions
ainsi que leurs caractérisations " a rassemblé une quarantaine de participants avec plusieurs
intervenants étrangers au LCAR le 24 septembre 2001. Cette journée a été organisée par
Béatrice de Beauvoir, membre du comité de pilotage du réseau femtoseconde
(http://www.luli.polytechnique.fr/rtf/), avec un budget de 23 kF provenant exclusivement de
ce réseau.
2.5.
Le personnel : son évolution récente
Le Personnel permanent
Le tableau ci-dessous donne la liste des arrivées et des départs enregistrés depuis 1998.
Les arrivées correspondent à des recrutements (notées rec.) pour l'essentiel, à des mutations
(notées mut.) ou à des AFIP pour les ITA, tandis que les départs sont dus à des départs à la
retraite (noté ret.) ou à des mutations.
Année
1998
1999
2000
2001
Arrivées
Carlo RIZZO (Pr) (rec.)
Christoph MEIER (MCF) (rec.)
Valérie BLANCHET (CR2) (rec.)
William VOLONDAT (TRF) (rec.)
Cécile MENNERAT-ROBILLIARD (CR2) (rec.)
Renaud MATHEVET (MCF) (rec.)
Agnès CLOUTOUR (TCN) (AFIP)
Laurent POLIZZI (TCN) (AFIP.)
Bruno LEPETIT (CR1) (a)
Arnaud LE PADELLEC (MCF) (rec.)
Marie-France ROLLAND (AI) (AFIP)
Nicolas LORENTE (MCF) (rec.)
Roland LAGARRIGUE (TRF)(mut)
Jean-Pierre DAUDEY (DR) (stage) (b)
Départs
Malika BENHENNI (MCF) (mut.)
Eric AUDOUARD (MCF) (mut.)
Antoine PELLICER (TCE) (ret.)
Philippe MIROUX (IE2) (AFIP)
Pierre REYNES (T) (ret.)
(a) Bruno LEPETIT (CR1) a repris un poste CNRS après 8 ans de mise en disponibilité passés à
l'Aérospatiale
(b) Jean-Pierre DAUDEY en quittant le Laboratoire de Physique Quantique a souhaité prendre de
la distance et a intégré notre laboratoire pour un stage de 12 mois commencé en Mai 2001. Il
demande à faire partie de notre laboratoire pour le prochain contrat.
(c) Béatrice de BEAUVOIR, qui a été recrutée comme MCF en 1997, a été reçue en 2001 au
concours CR2 CNRS et elle a donc été détachée au CNRS à l'automne 2001. Elle libérera son
poste MCF lors de sa titularisation au CNRS.
Les recrutements dans le laboratoire ont été nombreux durant la période 1998-2000, ce
qui a contribué à maintenir un âge moyen stable, voisin de 44 ans pour l'ensemble du
personnel permanent. La pyramide des âges n'est pas du tout plate, mais présente un creux
très marqué pour la tranche des âges compris entre 40 et 50 ans. Bien que, au niveau national,
une vague importante de départs à la retraite d'enseignants-chercheurs soit attendue jusque
vers 2010, la structure de la communauté locale, en physique et en particulier en 30ème
9
Message du Directeur
section, ne nous laisse pas espérer de nombreux postes d'enseignants-chercheurs pour les
prochaines années. Cette situation posera des problèmes, en limitant fortement les possibilités
de recrutements et de promotions.
Martine SENCE (MCF), qui a fait partie de l'équipe agrégats depuis sa création, n'en
fera plus partie pour le nouveau contrat. Depuis 1999, elle s'intéresse à un autre thème, la
corrélation entre symétries moléculaire et cristalline, et elle consacre aussi beaucoup de temps
à l'administration, en ayant accepté, à l'automne 1999, les fonctions de Directeur adjoint de
l'UFR PCA.
Le personnel IATOS
Depuis 1998, le personnel IATOS a évolué assez fortement, avec des départs à la
retraite et des arrivées par recrutement ou par mutation. Cette évolution a permis de renforcer
l'administration du laboratoire, le soutien aux expériences et de créer un atelier
d'informatique. Un poste de technicien UPS qui s'est libéré à l'automne 2000 par le départ à la
retraite de P. REYNES (spécialiste du vide, affecté à l'équipe " Interactions ions-surfaces ") a
en effet permis de recruter R. LAGARRIGUE (TRF), spécialiste informatique qui est chargé
de la gestion des PC, des imprimantes et du réseau. L'effectif des ateliers de mécanique et
d'électronique reste inchangé avec, dans chaque atelier, deux personnes dont une affectée à
l'IRSAMC.
Dans la perspective des prochaines années, le développement de l’activité du
laboratoire, en particulier avec de nombreux montages très complexes en optique rend
indispensable de renforcer le personnel technique. Ce renforcement peut être affecté à notre
laboratoire ou à l’IRSAMC, suivant l’origine des postes et les besoins des autres composantes
de l’IRSAMC. Les besoins principaux actuels sont les suivants :
*au niveau de l’atelier de mécanique, il semble nécessaire de renforcer l’effectif par un poste
de technicien supplémentaire, les demandes très nombreuses excédant la capacité de
production. Ceci est d’autant plus nécessaire que l’IRSAMC s’élargit par l’arrivée du LPST
dont l’activité est largement de nature expérimentale.
*au niveau de l’atelier d’électronique, une fonction n'est pas actuellement pourvue : il s'agit
d'un ingénieur de recherche en électronique. Les montages expérimentaux comportent de plus
en plus d'électronique variée et l'atelier d'électronique dans sa constitution actuelle ne peut pas
assurer la totalité du travail de conception nécessaire.
*au niveau des services communs de soutien aux expériences, actuellement formés de
G. TRENEC (IR), de L. POLIZZI (TCNRS, spécialiste de vide) et de W. VOLONDAT (TRF,
UPS, spécialiste d’optique), il y a un fort besoin de renforcer la composante « optique » pour
suivre l’expansion des équipes utilisant des lasers. Pour permettre des développements
nouveaux et la participation au fonctionnement de certaines expériences, il me semble que le
recrutement d’un Ingénieur et d’un AI serait nécessaire en commun avec le LPST qui partage
ces besoins.
10
Message du Directeur
Graphique présentant l'effectif de " permanents " du laboratoire depuis sa création et
le budget de soutien de base
1994
1996
1998
2000
2002
35
1000
30
800
25
20
600
15
400
10
budget de soutien de base
effectif chercheurs
200
0
effectif chercheurs
budget de soutien de base
1992
5
0
1992
1994
1996
1998
2000
2002
année
Les doctorants et post-docs
Malgré nos efforts de recrutement de doctorants et de post-docs, leur nombre dans le
laboratoire reste voisin de 6-8 ce qui me semble un peu faible par rapport à l'effectif de
chercheurs et enseignants chercheurs. Plusieurs raisons expliquent le faible nombre de
doctorants :
* nous avons essayé d'éviter au maximum de recruter des doctorants sans un soutien
financier correct
* nos sources de recrutement de doctorants sont d'une part les DEA locaux et d'autre
part des élèves de grandes écoles. La compétition pour recruter dans les DEA locaux est forte
pour un effectif assez restreint d'élèves dans ces DEA. Quant à notre couplage avec les
grandes écoles extérieures à Toulouse, il n'est pas encore assez fort pour apporter un flux
régulier de doctorants.
On trouvera en annexe le tableau des thèses soutenues et le devenir de nos doctorants.
On remarquera que la plupart de nos doctorants ont presque tous fait un stage post doctoral et
qu'une très forte majorité d'entre eux a trouvé un emploi correspondant bien au savoir faire
acquis. Dans nos anciens doctorants, nous comptons 3 CR CNRS, 3 MCF, 3 ingénieurs en
entreprise dont 2 aux Pays-Bas, un enseignant agrégé en classes préparatoires.
Enfin, le laboratoire joue de son mieux son rôle de formation en accueillant de très nombreux
stagiaires de niveaux variés : BTS, licence, maîtrise et magistère, DEA, école d'ingénieurs,
stagiaires étrangers de niveau maîtrise (programme ERASMUS) ou en Diplom Arbeit.
11
Message du Directeur
2.6.
Le budget du laboratoire
2.6.1. Les crédits de soutien de base
Lors de la création du LCAR au 1/1/1992, le crédit de soutien de base total était de
894 kF HT pour un effectif permanent actif en recherche de 13 personnes. Alors que l'effectif
croissait très rapidement, les crédits se réduisaient pour atteindre seulement 793 kF HT en
1995 et 1996. Depuis cette date, le CNRS a réévalué substantiellement sa contribution qui est
passé de 397 kF HT en 1996 à 580 kF HT en 2001, mais la contribution du Ministère de la
Recherche a beaucoup moins augmenté, passant de 396 kF HT (après prélèvement du BQR) à
seulement 438 kF en 2001.
En pratique, les crédits de soutien de base ont donc augmenté beaucoup moins vite que
la population active en recherche. La seule explication de cette divergence des évolutions me
semble être que le système d'évaluation ne s'adapte pas à une croissance aussi rapide que la
nôtre. La diminution du crédit de base par chercheur crée une forte tension sur le budget,
tension qui est encore accrue par des transferts de charges effectués au détriment du
laboratoire (par exemple l'accès à Internet devenu payant depuis 1998) ou des variations très
rapides de coût (par exemple, celui d'un aller-retour en avion à Paris qui a pratiquement triplé
en 3 ans). Cette évolution limite considérablement la politique scientifique que peut faire le
laboratoire.
Pour maintenir les crédits de soutien de base à un niveau raisonnable, c’est à dire pour
permettre de financer avec ces crédits la vie du laboratoire, à l’exclusion de tous les achats des
gros équipements, je pense qu’il faudrait obtenir un budget annuel d’environ 215 kEuros HT
réellement disponible au niveau du laboratoire. Dans l’hypothèse d’une répartition
sensiblement égale entre le soutien MRT et le soutien CNRS, nous demandons au CNRS 107
kEuros HT et au MRT, avant prélèvement du BQR, 72 kEuros HT en crédits d’équipement et
65 kEuros TTC en crédits de fonctionnement. Un dernier problème grave concerne la
maintenance des locaux : malgré nos demandes faites il y a 4 ans, nous n’avons presque rien
reçu dans ce domaine. Pour aménager intérieurement nos salles d’expérience, pour rénover
certains locaux qui ne l’ont pas été depuis la construction du bâtiment ou pour assurer la
sécurité de nos locaux contre le vol, il nous semble indispensable de recevoir directement du
MRT un budget annuel de l’ordre de 15 kEuros du MRT pour ces aménagements.
Année
Crédits de base
CNRS kF HT
Crédits de base
MENRT kF
HThors BQR
1998
1999
2000
2001
450
450
480
580
397
438
438
439
Crédit de base total Effectif permanent
en kF HT
actif en recherche
847
888
918
1019
22
23
25
27
2.6.2. Les actions spécifiques
Heureusement, les crédits d'actions spécifiques obtenus par les diverses équipes
permettent le développement de nouveaux programmes de recherche, mais la situation des
équipes qui n'ont pas obtenu récemment de tels soutiens est vraiment très difficile.
Une autre inquiétude vient du soutien de la Région Midi-Pyrénées : elle a défini en
1999 une nouvelle politique de soutien à la recherche, très voisine de l'esprit du 5ème PCRDT
(répondre aux demandes sociétales) et cherchant à privilégier les coopérations des laboratoires
avec les PMI-PME hors de l'agglomération toulousaine. Cette évolution difficilement
compatible avec un soutien de notre recherche, sauf à envisager une évolution radicale de
12
Message du Directeur
certains de nos thème. Nous espérons que la Région prendra en compte le fait que la
formation de nos étudiants en physique fondamentale dépend fortement de la qualité de nos
laboratoires et de leur reconnaissance au niveau national, car cette qualité et cette
reconnaissance sont vitales pour attirer ou maintenir ici des enseignants de grande qualité.
Actions spécifiques en kF HT:
Année de
CNRS/SPM
notification
1998
200
1999
100
2000
690
2001
350
MENRT
150
202
454
284
Région
UPS (BQR) et
Midi-Pyrénées autres sources*
341
152
0
171
0
306
0
339
TOTAL
843
473
1 450
973
• Les autres ressources incluent les soutiens spécifiques de l'IRSAMC, de la DSP-DGA et un PPF obtenu par
une de nos équipes, du CNRS INSU (PCMI). Les contrats CEE ne sont pas tenus compte ici, à cause de la
forte part salariale.
Les crédits spécifiques obtenus durant ces dernières années ont permis de construire de
nouveaux montages et faire évoluer les montages existants.
2.7.
La direction du laboratoire
J'ai été directeur adjoint du laboratoire de 1992 à 1996, puis directeur depuis Janvier
1996. Cette direction est une charge importante, qui a crû avec le laboratoire et j'ai fait de
mon mieux pour maintenir en parallèle une activité de recherche. Je souhaite passer la main et
j'aurais souhaité le faire dès le début du nouveau contrat au 1/01/2003. Bertrand GIRARD a
accepté de me succéder, dès qu'il n'aura plus la charge liée à son appartenance à la Section 04
du Comité National. J'ai donc fait la proposition suivante au Conseil du Laboratoire qui l'a
soutenue :
* je resterai directeur pendant la première moitié du prochain contrat quadriennal, soit
jusqu'au 31 décembre 2004
* Bertrand GIRARD deviendra directeur au 1er janvier 2005, et pour faciliter la transition, il
sera directeur adjoint durant les années 2003 et 2004.
J'espère que cette proposition sera acceptée par nos tutelles et, dans cette hypothèse, je suis
convaincu qu'elle assurera l'avenir du laboratoire dans les meilleures conditions. En effet,
l'excellente connaissance de la recherche dans nos domaines que Bertrand GIRARD a acquise
grâce à ses responsabilités variées au niveau national, sera très utile pour guider le laboratoire
dans un environnement toujours plus complexe et son grand dynamisme lui permettra sans
nul doute de donner une impulsion nouvelle à notre laboratoire.
2.8.
Conclusion
Je commencerai par les sujets de préoccupation :
* J'ai attiré plusieurs fois l'attention de nos tutelles sur la faiblesse des crédits de soutien de
base et sur le fait que ces crédits n'avaient pas suivi l'évolution de l'effectif. La croissance
récente de nos crédits CNRS a permis d'arrêter cette dégradation, mais le ministère de la
Recherche n'ayant pas procédé à une réévaluation comparable, le pouvoir d'achat des crédits
de base par membre permanent me semble beaucoup trop faible. Cette situation ne me semble
13
Message du Directeur
pas résulter d'un jugement négatif porté sur notre politique de recherche et sur ses résultats,
mais elle semble être le fruit amer d'une croissance rapide et réussie à tous les autres points de
vue. Je demande une fois de plus et avec une insistance accrue une augmentation de nos
crédits de soutien de base.
* Le laboratoire n'échappe pas à certains problèmes communs à toute la communauté, tels
que, par exemple, la raréfaction des doctorants et des post-docs. Malgré cette raréfaction,
notre pouvoir d'attraction lié à des sujets de recherche bien renouvelés a permis de maintenir
jusqu'ici un flux d'entrée en thèse à peu près raisonnable et la qualité de nos doctorants a
permis un très bon placement pour une forte majorité d'entre eux.
* La multiplication des tutelles et des décideurs rend la tâche du chercheur, du chef d'équipe
et du directeur de plus en plus complexe : suivant les projets, nous devons nous adresser au
Ministère de la Recherche, au CNRS, à l'université P. SABATIER ou à l'UFR PCA, à la
Région Midi-Pyrénées, à la Communauté Européenne, aux agences nationales, aux
programmes nationaux, etc... Chacun de ces organismes a ses propres règles du jeu, sa
politique propre qui n'est pas toujours aisément lisible et un projet tant soit peu ambitieux ne
peut exister que si l'on arrive à une synergie entre ces différents organismes.
Pour finir, je soulignerai les aspects qui me semblent les plus positifs :
* Les recrutements du laboratoire sont d'excellente qualité : ils ont permis de renforcer nos
équipes et d'assurer un grand dynamisme pour le développement de nouveaux projets.
* Les évolutions thématiques de plusieurs équipes sont très fortes et les mettent directement
en interaction avec les meilleures équipes de leur domaine scientifique.
* Plusieurs projets correspondent à des collaborations entre deux ou plusieurs équipes ou à
des collaborations nouvelles, locales, nationales ou internationales. Ces collaborations
enrichissantes méritent d'être encouragées et ce sera une des priorités de la politique du
laboratoire pour les prochaines années.
* Le dynamisme du laboratoire se traduit à travers des indicateurs variés : la qualité des
recrutements effectués démontre notre pouvoir d'attraction ; les nombreuses collaborations de
nos équipes se font avec des équipes parmi les meilleures de leur domaine ; l'obtention
fréquente de soutiens financiers pour développer de nouveaux programmes de recherche ; la
participation aux instances nationales d'évaluation, aux jurys de thèse, aux comités
scientifiques, etc.... Je crois que ce dynamisme résulte d’une forte mobilisation d’une large
fraction des membres du laboratoire et je les remercie pour leur énergie et leur enthousiasme !
* Enfin, et c'est bien sûr le point le plus important, la qualité de la recherche effectuée et des
résultats obtenus !
14
3. Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
3.1. Composition de l’équipe
Responsable : P. Labastie, professeur
Permanents : A. Le Padellec, Maître de conférence, depuis février 2000
J.-M. L’Hermite, Chargé de recherche
M. Sence, Maître de conférence, a participé aux activités de l’équipe jusqu’en 1999
Doctorant :
F. Rabilloud, allocataire MENRT 1997–2000
Stagiaires :
L. Marcou, DESU 1998–1999
N. Javahiraly, Maîtrise 1998
C. Géraud, Maîtrise 1999
M. Lasserre, Maîtrise 1999
J. Léonard, DEA 1999
P. Labro, Maîtrise 2000
J.-Ph. Barbaste, DEA 2001
S. Batut, Maîtrise 2001
3.2. Compte-rendu de l’activité scientifique
3.2.1. Introduction
Si l’activité de l’équipe au cours des deux premières années du contrat (1999–2000) a
surtout été de modifier l’expérience pour travailler avec des agrégats de bromure d’argent, les
deux années suivantes ont été consacrées essentiellement à des études théoriques sur ces
mêmes agrégats, en collaboration avec l’équipe de F. Spiegelman. Nous avons en effet
observé une stabilité particulière de l’agrégat Ag3Br3, ce qui ne peut en aucun cas être
expliqué par les modèles simples que nous avions développés pour les agrégats de fluorure de
sodium.
Ces modèles simples, par contre, permettent d’interpréter la réponse des agrégats de sel
(CsBr, CsCl, NaF) à un champ statique. Néanmoins, cette réponse est due à la fois au dipôle
permanent provenant du réseau d’ions et à la polarisabilité électronique de ces agrégats, et
présente donc un caractère nouveau par rapport aux études spectroscopiques, qui ne font
intervenir que la réponse électronique. Nous avons collaboré avec l’équipe de Ph. Dugourd à
Lyon pour ces études.
Parallèlement, l’équipe a beaucoup réfléchi aux problèmes d’évaporation des agrégats
(il s’agissait de comprendre entre autres l’évaporation préférentielle d’Ag3Br3), ce qui nous a
amenés à collaborer d’abord de manière informelle, puis de manière plus officielle avec les
équipes de H. Haberland (Fribourg, Allemagne) et de C. Bréchignac (Laboratoire A. Cotton,
Orsay). Il est apparu que le processus inverse (collage d’atomes) n’était pas bien connu non
plus. C’est ce qui conduit notre équipe à s’orienter, toujours en collaboration avec les deux
équipes citées, vers une étude de ce processus inverse au cours du prochain contrat.
15
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
3.2.2. Développements expérimentaux
3.2.2.1. Spectroscopie de dépopulation à un seul coup laser
Dans les techniques de spectroscopie de dépopulation, on compare le signal (sur une
masse donnée) obtenu quand le laser qui dépeuple est absent (référence) au signal obtenu en
présence de ce laser. Ceci nécessite en général au minimum deux tirs lasers, et on est limité
par le bruit d’une impulsion à l’autre. Nous avons mis au point une méthode qui ne nécessite
qu’un coup laser. En effet, il est possible, dans notre spectromètre de masse à réflectron, de
connaître l’origine spatiale des agrégats observés. En tirant le laser sur une partie du volume
concerné, on peut ainsi comparer directement les agrégats qui ont reçu le laser à ceux qui ne
l’ont pas reçu. Le gain en bruit du système peut être assez grand.
3.2.2.2. Rapports de branchement de fragmentation
Nous avons montré comment, dans un spectromètre de masse à réflectron, il est
possible, en variant la tension de réflexion, de connaître à la fois la masse du parent et celle du
fragment correspondant à un pic donné. On peut ainsi obtenir le spectre de fragmentation de
l’ensemble des parents en enregistrant environ une dizaine de spectres de masse. Ceci est à
comparer aux méthodes où l’on sélectionne un parent, qui nécessitent un spectre de masse
pour chaque parent. Cette méthode originale a fait l’objet d’une publication [Rev. Sci. Ins., 71,
2033 (2001)]. Le détail de la méthode est donné dans la partie sur les agrégats de bromure
d’argent.
3.2.2.3. Résultats scientifiques obtenus à Toulouse
Après des travaux sur les agrégats de fluorure de sodium, le groupe « agrégats » s’est
orienté en 1998 vers l’étude expérimentale et théorique des agrégats de bromure d’argent.
L’étude du bromure d’argent est motivée par l’implication de ce matériau dans un
phénomène encore partiellement incompris aujourd’hui : la sensibilisation d’une pellicule
photographique par la lumière (ou formation de « l’image latente »). On sait depuis les
travaux de P. Fayet et al [Z. Phys. D 3, 299 (1986)] et de J. Belloni et al [Z. Phys. D 12, 31
(1989)] que celle-ci est essentiellement due à la formation d’agrégats d’argent de petite taille
sur un substrat (« grains ») d’AgBr. Ceci rappelle les phénomènes de ségrégation métal–
isolant que nous avions observés dans les agrégats de fluorure de sodium. Néanmoins, on
ignore à l’heure actuelle comment se forment ces agrégats sous l’action de la lumière. La
dernière proposition de mécanisme date de 1955 et est loin d’être satisfaisante. Aucune étude
expérimentale récente ne s’est intéressée à ce processus d’un point de vue fondamental ! Sur
le plan théorique, plusieurs groupes se sont intéressés à ce problème ces dernières années
mais sans succès probant. Flad et al [Z. Phys. D 15, 79 (1990)] ont étudié la localisation de
monomères et de dimères d’argent dans des défauts de surfaces, mais avec un modèle trop
élémentaire dont nous savons aujourd’hui qu’il ignore des aspects importants de l’interaction
Ag+–Br-. Le groupe de V. Koutecký (Berlin) s’est également intéressé récemment (1998) à la
modélisation ab initio d’agrégats de bromure d’argent mais a abandonné ce sujet faute de
résultats satisfaisants [communication privée, colloque TAMC III, Berlin, 1999]. Ce thème
était donc d’actualité mais semblait particulièrement ardu. Il nous a semblé que la synergie
due à la cohabitation dans le même institut (l’IRSAMC) de notre groupe expérimental et de
théoriciens spécialistes des agrégats, qui avait déjà fait ses preuves dans le cadre de l’étude
des agrégats de fluorure de sodium, était susceptible de favoriser l’éclosion d’une
modélisation enfin réaliste des agrégats de bromure d’argent, systèmes plus complexes qu’il
n’apparaît à première vue et jusqu’ici plutôt réfractaires à l’analyse.
16
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
C’est pourquoi nous nous sommes proposés d’étudier expérimentalement et
théoriquement les propriétés de ces agrégats. L’acquisition de connaissances approfondies sur
ces systèmes a un intérêt intrinsèque puisque ce type d’agrégat est encore très mal connu. Les
interactions locales et non locales entre brome et argent sont mal connues. On considère en
première approximation qu’elles sont de nature ionique, impliquant seulement des ions Ag+ et
Br-. Le solide AgBr est un cristal ionique Ag+Br- très proche par sa structure des solides
d’halogénures d’alcalins. Cependant, les physiciens du solide ont montré que certaines
propriétés, par exemple le changement de phase structurelle (de type NaCl vers le type CsCl)
à haute pression ou bien la dispersion anormale des phonons, sont probablement dues à la
contribution d’une interaction non ionique, sans pouvoir l’expliciter exactement.
3.2.3.1. Expériences
La première phase de cette étude fut la mise au point d’une source d’agrégats d’AgBr.
Nous avons conservé comme principe de production la vaporisation laser. Cependant, la
méthode utilisée pour produire les agrégats de fluorure de sodium (un barreau de sodium
vaporisé dans un mélange de gaz neutre et de l’hexafluorure de soufre SF6) s’est avérée
inadéquate, pour des raisons de fiabilité et de sécurité : il n’existe malheureusement pas de
composé gazeux équivalent à l’hexafluorure de soufre (peu toxique, peu corrosif et facile à
dissocier) susceptible de fournir les atomes de brome (un barreau d’argent étant quant à lui
très facile à réaliser). Nous avons finalement trouvé, non sans mal, un industriel capable de
nous fournir des barreaux de bromure d’argent solide frittés.
Le potentiel d’ionisation des agrégats de bromure d’argent est élevé (>6 eV), et
inaccessible aux lasers courants. Nous avons donc décidé d’étudier (au moins dans un premier
temps) les espèces chargées déjà formées dans la source. Il est en principe très simple dans un
spectromètre de masse à temps de vol de passer de l’analyse d’espèces neutres à l’analyse
d’espèces chargées : il « suffit » de pulser la (ou les) haute(s) tension(s) des plaques
d’accélération. Dans la réalité, surtout s’agissant d’agrégats d’AgBr, les choses ne furent pas
si simples. Il nous a fallu améliorer la résolution de notre spectromètre de masse dans son
mode d’analyse des espèces chargées pour deux raisons : d’une part, la résolution d’un
spectromètre de masse à temps de vol est dégradée lorsqu’on passe de l’étude des espèces
neutres à l’étude d’espèces chargées, d’autre part, l’argent et le brome ont naturellement deux
isotopes d’abondance égale, ce qui congestionne considérablement les spectres de masse. En
fait, il n’existait pas d’études détaillées du fonctionnement d’un spectromètre de masse de
type « temps de vol avec un réflectron » en mode de détection d’ions, et nous avons montré
que certaines idées courantes étaient erronées : en particulier, il est parfaitement possible
d’obtenir des pics (dans le spectre de masse) de largeur temporelle largement inférieure au
temps de montée de l’impulsion haute tension appliquée aux plaques d’accélération. Avec un
choix judicieux des paramètres de fonctionnement, nous avons obtenu des pics de largeur à
mi-hauteur de moins de 15 ns avec un temps de montée de la haute tension de l’ordre de 80
ns. Cette étude détaillée nous a donc fait faire des économies d’argent substantielles sur les
relais haute tension !
La première étape de notre étude a consisté à produire des spectres de masse d’agrégats
de bromure d’argent chargés positivement et négativement. Ces spectres montraient qu’à
l’évidence (prédominance des espèces stœchiométriques c’est-à-dire comportant autant
d’électrons que d’atomes de brome, agrégat Ag14Br13 « magique »...) ces agrégats étaient de
nature ionique, c’est-à-dire constitués d’ions Ag+ et Br-. Ceci était probable (le solide AgBr
possède la structure cristalline de NaCl) mais pas évident a priori. Les spectres de cations
contiennent principalement les espèces AgnBrn-1+, comme dans le cas de NaF, mais aussi en
quantité non négligeable AgnBrn-2+ et AgnBrn-3+ (ce n’était pas le cas pour NaF). AgBr a donc
17
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
une propension à la ségrégation supérieure à NaF. Une première explication simple semble
être que l’énergie de liaison des agrégats d’argent (purs) est très supérieure à celle des
agrégats de sodium (l’énergie de liaison de Ag2+ est déjà environ 2 fois supérieure à celle de
Na2+). Nous avons également noté la stabilité particulière de certaines espèces (Ag3Br3-,
Ag5Br4+ notamment ) qui ne s’explique pas par des raisons purement électrostatiques.
Nous avons ensuite entrepris de réaliser des mesures de bandes d’absorption dans le
visible à l’aide d’un OPO acquis en 1997, de manière similaire à ce que nous avions fait sur
les agrégats NaF (R2PI, photodépopulation). Malheureusement, aucune bande d’absorption
détectable n’a été vue dans le domaine spectral accessible. Ceci n’était pas à vrai dire
surprenant, puisqu’on sait que le solide AgBr n’a pas de bandes d’absorption dans le visible
(celles-ci sont situées dans l’uv proche, jusqu’au violet, inaccessible à notre OPO). On savait
déjà qu’un cristal d’AgBr (et donc une émulsion photographique « brute ») n’était en effet
pratiquement pas sensible à la lumière visible (elle ne l’est que par l’action de molécules « de
conversion »).
En irradiant les agrégats avec le faisceau d’un laser Nd:YAG triplé en fréquence
(355nm) d’assez forte fluence (50 mJ par pulse, soit 1MW/cm2), nous avons constaté que la
distribution était considérablement modifiée, les espèces de type [(AgnBrn-1)+Ag4] devenant
prépondérantes. Bien que les conditions de formation diffèrent, ceci peut être rapproché du
processus de formation de l’image latente en photographie, dans laquelle, sous l’action de la
lumière, on isole de la même manière un agrégat Ag4 à la surface d’un substrat
stœchiométrique.
Nous avons utilisé un autre moyen d’investigation des propriétés des agrégats libres :
l’étude de leurs voies de fragmentation. Il existe des méthodes d’analyse de la fragmentation
utilisant un réflectron, mais là encore, les méthodes « classiques » se sont révélées inefficaces,
à cause de la richesse de nos spectres résultant à la fois de la présence de stœchiométries
variées (AgnBrp avec p variable) et de la contribution des différents isotopes. Il était
impossible d’affecter à un signal donné un couple (parent–fragment) sans ambiguïté. Nous
avons donc développé une nouvelle méthode d’étude de la fragmentation métastable
d’agrégats en jet libre utilisant un réflectron.
Notre montage à réflectron permet d'étudier la fragmentation unimoléculaire des
agrégats. Plusieurs méthodes ont été décrites dans la littérature dans ce but, mais elles
nécessitent en général un grand nombre de spectres de masse, pour balayer la masse du parent
et celle du fragment. Elles nécessitent en général aussi de sélectionner une masse de parents.
Nous avons proposé une nouvelle méthode qui permet de déterminer tous les canaux de
fragmentation pour tous les parents en même temps, avec environ une dizaine de balayages.
Le principe est représenté sur la figure 1.
18
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
s0 s
source
Es
d 1ref
d
Ed
d 2ref
T1
T2
Vs Vd
plaques d'accélération
T3
Er
V 1ref
détecteur
V 2ref
reflectron
Figure 1 : Schéma du dispositif expérimental d’étude de la fragmentation
Dans les zones de vol libre, les parents d'une masse donnée et les fragments issus de ce
parent vont à la même vitesse. C'est pourquoi il n'est pas possible de détecter une
fragmentation dans un temps de vol en ligne. Toutefois, si un agrégat de masse M s'est
fragmenté avant d'avoir atteint le réflectron, le fragment chargé (de masse m) a une trajectoire
différente pendant la réflexion. Si le champ est constant dans le réflectron, le temps de
réflexion est proportionnel à la vitesse, qui est en M-1/2 et inversement proportionnel à
l'accélération, qui est en Vref/m, où Vref est la tension appliquée au réflectron. On a donc un
temps total d'arrivée sur le détecteur qui est de la forme
T=AM1/2+Bm/(VrefM1/2)
où A et B sont des constantes. On peut donc avoir accès à la fois à M et m en balayant Vref. La
résolution du dispositif permet de séparer les réactions faisant intervenir les deux isotopes
naturels de l'argent (107Ag et 109Ag). Cette méthode a été appliquée aux agrégats de bromure
d'argent. Cette technique, qui ne nécessite aucune modification physique du spectromètre de
masse, permet de déterminer les voies de fragmentation sans aucune ambiguïté. À notre
connaissance, c’est la seule méthode utilisant un réflectron qui lève totalement toute
ambiguïté. Cette méthode, que nous avons également appliquée dans un but de vérification et
de validation à des agrégats de type [Agn(SF6)p]+ (dans ces agrégats, les molécules SF6, liées
par des interactions de Van der Waals, se dissocient abondamment), a fait l’objet d’une
publication [Rev. Sci. Ins.,71, 2033 (2001)].
19
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
Figure 2 : Spectre de fragmentation d’agrégats d’AgBr
Cette étude de fragmentation a révélé un comportement insolite des agrégats AgnBrn-1 :
à partir d’une certaine taille, ceux-ci se dissocient préférentiellement en Ag3Br3+
complémentaire chargé positivement Sur la figure 2, les pics 4,5,6’,7,8,9,10,11,12
proviennent de la fragmentation d’agrégats AgnBrn-1+ en Ag3Br3 et Agn-3Brn-4+, avec n variant
de 4 à 12. Ag6Br5+ fait exception et se dissocie principalement en AgBr et Ag5Br4+ (pic n°6).
Les pics n°3 et 4’ correspondent à la perte d’un dimère AgBr par respectivement Ag3Br2+ et
Ag4Br3+. Ceci est inhabituel, les agrégats évaporant plutôt des monomères ou des dimères,
beaucoup plus rarement des fragments plus gros.
Nous avons aujourd’hui, à l’issue d’une investigation théorique impliquant plusieurs
niveaux d’approches en fonction de la taille des agrégats à étudier, réussi à modéliser les
agrégats d’AgBr et à interpréter la plupart des résultats ci-dessus.
3.2.3.2. Théorie
Parallèlement aux expériences, nous avons mené une approche théorique du système
AgBr sur plusieurs plans. D’une part, en collaboration avec F. Spiegelman (Laboratoire de
Physique Quantique / IRSAMC, UMR 5626), nous utilisons les outils de la chimie quantique
pour mener de lourds calculs ab initio aussi précis que possibles mais limités aux petits
systèmes. D’autre part, nous avons construit un modèle électrostatique « amélioré »
permettant de traiter éventuellement un électron excédentaire (par rapport à la stœchiométrie).
Ce modèle, moins gourmand en temps de calcul, permet d’appréhender des tailles plus
20
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
importantes (jusqu’à 27 atomes dans les optimisations globales de type Monte-Carlo et près
de 60 atomes dans la modélisation locale de défauts de surface).
3.2.3.2.1. calculs ab initio « préliminaires »
L’argent est un métal noble qui se comporte grossièrement comme un système à un
électron (électron de valence 5s), mais son traitement est plus complexe que celle d’un alcalin
à cause du traitement délicat des électrons de la couche 4d (nous verrons même que les
électrons 4s et 4p semblent avoir une influence non négligeable sur les agrégats d’AgBr).
Les calculs ab initio réalisés peuvent se diviser en plusieurs catégories en fonction du
nombre d’électrons sur l’argent (on considère toujours 7 électrons sur le brome) pris en
compte et de la technique utilisée. Pour simplifier, dans l’ordre croissant de tailles pouvant
être considérées (c’est-à-dire par ordre décroissant de temps de calcul requis) : LCAO
(coupled clusters) avec 19 électrons (limité au dimère), LCAO avec 11 électrons (jusqu’à 6
atomes en version perturbative MP2), fonctionnelle de la densité (DFT B3LYP) avec 11
électrons dans un premier temps, puis 19 électrons (jusqu’à 12 atomes). Ces calculs ne
permettent pas, en raison du temps de calcul, d’explorer exhaustivement l’espace des
configurations géométriques, mais autorisent cependant une relaxation locale. Pour les
agrégats de plus de 4 atomes, la géométrie est donc simplement relaxée à partir d’une ou
plusieurs configurations générées par une exploration plus exhaustive de type Monte-Carlo
utilisant le modèle classique décrit au paragraphe suivant. Ces travaux ont fait l’objet d’une
publication [J. Chem. Phys., 111,8925 (1999)].
3.2.3.2.2. modèles classiques
Le modèle utilisé considère un système constitué d’ions Ag+ et Br- liés par des
potentiels de paires incluant :
- L’interaction coulombienne
- La répulsion des cœurs (Born Mayer)
- La corrélation des dipôles instantanés en 1/R6 (interaction de type Van der Waals)
- Les dipôles induits par les charges (le calcul des dipôles et du champ électrique est
autocohérent). À cause de la grande polarisabilité des ions en jeu (surtout Br-), le
dipôle sur chaque centre est limité par une fonction de saturation.
- L’interaction entre ces dipôles induits.
Les paramètres de ce modèle sont ajustés de manière à reproduire les structures des
calculs ab initio pour les petites tailles.
L’accord des structures données par ce modèle avec les calculs DFT à 11 électrons étant
excellent, nous lui avons adjoint la possibilité de traiter les systèmes avec un électron
excédentaire (par exemple AgnBrn-1 neutre), afin de pouvoir modéliser l’interaction d’atomes
d’argent avec une surface d’AgBr. Cette technique s’apparente au modèle de Hückel. Pour
une géométrie donnée, on calcule l’énergie de chaque configuration (une configuration
correspond à la neutralisation d’un ion Ag+ particulier) en utilisant des potentiels de paires. Le
couplage entre ces différentes configurations est donné par un terme d’énergie de saut
(dépendant des distances), dérivé d’un calcul ab initio du dimère Ag2+. La matrice formée des
énergies de chaque configuration sur la diagonale et de ces couplages comme termes extradiagonaux est ensuite diagonalisée, donnant l’énergie de l’état fondamental et les coefficients
électroniques correspondants (le « poids de l’électron » sur chaque ion d’argent). La structure
est ensuite optimisée par une méthode Monte-Carlo associée à des trempes par gradient
conjugué. En fait, il est plus efficace en temps de calcul d’inclure les coefficients
électroniques dans les paramètres du gradient conjugué plutôt que de diagonaliser à chaque
21
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
géométrie. Bien que les structures intermédiaires « n’aient pas de sens » (ne correspondent
pas à un état propre du système), la structure convergée est atteinte plus rapidement (et est
évidemment la même que si on diagonalise). Cette méthode s’apparente un peu à celle de CarParinello développée dans le cadre de calculs quantiques. Les résultats obtenus sont là encore
en excellent accord avec les résultats de calculs DFT à 11 électrons et les temps de calculs pas
trop grevés.
Malgré ce succès apparent, nous n’étions pas satisfaits de ces résultats (DFT et
classique) car en terme de bilans énergétiques, ils ne rendent pas compte des résultats
expérimentaux (figure 2), à savoir la dissociation privilégiée en Ag3Br3. Nous avons imputé
ce désaccord à l’influence de phénomènes dynamiques, entropiques ou de barrières de
potentiel sur les voies de dissociation et avons donc entrepris de modéliser dynamiquement la
dissociation. Le modèle classique a servi de base à ces calculs de dynamique de
fragmentation. Un agrégat donné est porté à une certaine température, puis on le laisse
évoluer librement (en résolvant les équations de la mécanique classique) pendant un certain
temps. Il se dissocie alors (ou non). On répète le calcul un grand nombre de fois (à la même
température) et on fait une statistique sur les fragments générés. Ce type de calcul tient
compte des effets entropiques et des éventuelles barrières de potentiel sur les voies de
dissociation. Malheureusement, les résultats obtenus ne sont toujours pas en accord avec
résultats expérimentaux. Nous n’avons en effet noté aucune propension des systèmes à se
dissocier préférentiellement en Ag3Br3. Le système se dissocie plutôt en monomères et en
dimères.
3.2.3.2.3. Calculs ab initio « définitifs »
Nous avons entrepris dans un second temps des calculs de DFT plus précis avec 19
électrons sur chaque atome d’argent. Les structures fondamentales sont en général peu
modifiées par rapport au calcul à 11 électrons, mais les énergies diffèrent parfois
significativement, suffisamment pour modifier l’ordre de stabilité des isomères, et dans
certains cas apparaît une structure inédite. En particulier la structure hexagonale (en fait
presque triangulaire) de Ag3Br3 est conservée mais devient beaucoup plus stable.
Relativement, ces petits effets (quelques dixièmes d’eV) ont eu cependant un impact
particulièrement bénéfique sur l’accord avec l’expérience puisque, dans la limite des tailles
calculables, toutes les voies de dissociation observées expérimentalement sont maintenant les
plus basses sur un critère purement énergétique. Ce calcul reproduit bien la singularité de
Ag6Br5+ qui se dissocie en AgBr et non en Ag3Br3 comme tous les autres.
22
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
parent
+
Ag2Br
Ag3Br2+
Ag4Br3+
Ag5Br4+
Ag6Br5+
Ag7Br6+
Ag8Br7+
Ag9Br8+
Ag10Br9+
Ag11Br10+
Fragment(s)
+
1,0
2,1+
1,0+
3,2+
2,1+
5,4+
3,2+
4,3+
5,4+
6,5+
7,6+
8,7+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1,1
1,1
3,3
1,1
3,3
1,1
3,3
3,3
3,3
3,3
3,3
3,3
Taux exp.(%)
Dn (eV)
0.15
1.9
1.2
1.5
1.2
6.3
1.2
5.8
9.8
11.5
12.8
12
2.095
1.647
1.660
1.783
1.663
∆∗
∆+0.016
Pic n°( fig.2)
3
4
4’
5
6
6’
7
8
9
10
11
* l’énergie de Ag6Br5+ n’est pas calculée. Il est cependant possible de calculer l’énergie des voies de dissociation
à une constante ∆ près.
Table 1 : Voies de fragmentation expérimentales et calculées des agrégats AgnBrn-1+.
Dans la deuxième colonne, les couples p, q se réfèrent aux agrégats AgpBrq. La colonne « Taux exp. » est le taux
de fragmentation expérimental. Dn est l’énergie de dissociation issue des calculs à 19 électrons. La dernière
colonne renvoie à la numérotation des pics expérimentaux de la figure 2.
La différence entre le calcul à 11 électrons et le calcul à 19 électrons n’est pas encore
entièrement comprise, mais il semble qu’interviennent des liaisons entre atomes d’argent
résultant de l’interaction résonnante entre certaines orbitales 4d de l’argent et 4p du brome.
Bien que les électrons 4d soient pris en compte dans le calcul à 11 électrons, cet effet
n’apparaîtrait pas à cause de différences d’énergie de ces orbitales 4d relativement minimes
induites par la perturbation des orbitales 4s et/ou 4p mais suffisantes pour annihiler la
résonance. L’interprétation, surprenante, est que les ions Ag+ sont en fait partiellement liés
entre eux non pas par leurs orbitales « de valence » de type s, mais par les orbitales d qui
créent des liaisons de symétrie Π [J. Chem. Phys., 114, 289(2001)].
Figure 3 : une orbitale moléculaire liante de fort poids de (AgBr)3. Cette orbitale est un mélange
d’orbitales 4d de Ag et d’orbitales 4p de Br. On note la liaison entre les atomes d’argent, fortement
responsable de la grande stabilité de cet agrégat.
Un autre point intéressant, déjà présent dans les calculs DFT à 11 électrons, est que la
voie privilégiée de dissociation des espèces AgnBrn+ est l’éjection d’un atome neutre de
brome. Ceci corrobore notre intuition que la formation des petits agrégats d’argent dans le
23
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
processus photographique pourrait résulter non pas d’un piégeage séquentiel de tous ses
constituants (processus souvent admis à défaut d’une autre explication mais d’une probabilité
infime), mais d’un piégeage d’un seul ou au plus de deux atomes d’argent, suivi de l’éjection
de certains atomes de brome voisins. Cette intuition est aussi fondée sur les résultats d’une
modélisation de la surface utilisant le potentiel classique qui a certes montré ses limites mais
n’en est pas pour autant inintéressante.
3.2.3.3. Généralisation
La structure de quelques agrégats AgnBrp est présentée sur la figure 4. Un résultat
important saute aux yeux : la structure des agrégats stœchiométriques est quasiment plane, et
cyclique, contrairement à ce qui se passe pour les agrégats d’halogénures d’alcalins, qui
adoptent très tôt une structure tridimensionnelle. On peut penser que cette particularité, due à
l’influence des électrons d de l’argent, est commune à tous les agrégats mixtes d’halogénures
de métaux isoélectroniques à l’argent (Ag, Cu). Il devient alors possible d’interpréter les
expériences de T.P. Martin [J. Chem. Phys., 73, 3541 (1980), J. Chem. Phys., 80, 3956
(1984)] dans lesquelles les mesures par spectroscopie Raman des fréquences de vibration de
petits agrégats (M=Ag,Cu X=Cl,Br) piégés en matrice étaient incompatibles avec leur structure
tridimensionnelle supposée. Les structures cycliques que nous avons trouvées sont quant à
elles parfaitement compatibles avec les fréquences mesurées. Moyennant la même hypothèse,
on peut aussi comprendre la présence dans la vapeur de tous les composés de type (M=Ag,Cu
X=halogène) d’une forte proportion de trimères (MX)3 dont nous avons montré qu’il était une
voie d’évaporation privilégiée des sels d’argent quasi stœchiométriques. Notons enfin que des
expériences menées sur les hydroxydes d’argent révèlent le rôle important joué par les sousstructures (AgOH)3 [C. Bréchignac et al, Chem. Phys. Lett., 303, 304 (1999) ; M. Bertolus et
al, E.P.J. D, 11, 387 (2000)].
L’ensemble de ce travail sur les agrégats de bromure d’argent a donné lieu à la thèse de
Franck Rabilloud, soutenue en octobre 2000.
24
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
+
AgnBrn
AgnBrn-1
n=2
n=3
n=4
n=5
n=6
Figure 4 : structures de l’état fondamental de quelques agrégats AgnBrp.
3.2.4. Collaborations
3.2.4.1. Polarisabilité et susceptibilité diélectrique des agrégats NanFn-1
Il s’agit d’une collaboration avec le groupe de Ph. Dugourd au LASIM (Lyon) et le
groupe de F. Spiegelman au LPQT (Toulouse) dans le cadre du GDR « agrégats ». Comme
nous avions acquis une grande connaissance des agrégats NanFn-1, nous avions décidé de
mesurer les polarisabilités de ces agrégats et de les corréler aux autres propriétés électroniques
que nous connaissions. L’expérience a été réalisée sur le montage de Lyon. D’autre part, ces
polarisabilités ont été calculées à Toulouse et à Lyon. A première vue, il y avait un désaccord
important entre la théorie et l’expérience (écarts d’un facteur 5 à 10 entre valeurs mesurées et
polarisabilités calculées). Pour comprendre ce qui n’allait pas, nous avons dû rentrer dans les
détails de l’expérience lyonnaise.
3.2.4.1.1. Susceptibilité et polarisabilité
Le principe de l’expérience lyonnaise utilise la déviation d’un objet présentant un dipôle
dans un gradient de champ électrique. Les agrégats sont produits dans un jet collimaté,
traversent la zone de gradient de champ et sont ensuite détectés par un système sensible à la
position. Si le système n’a pas de dipôle permanent, le dipôle induit par le champ est dans la
direction du champ et le système est dévié dans la direction du gradient proportionnellement à
sa polarisabilité α. Plus exactement, la déviation est proportionnelle à α∇ F 2 2 , où F est le
champ électrique. Si le système a un dipôle permanent, deux cas peuvent se présenter. (i) Le
25
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
dipôle est rigidement lié au système : dans ce cas, la projection du dipôle sur le champ est
conservée et chaque agrégat est dévié proportionnellement à cette projection. Il n’y a pas de
déviation en moyenne, mais un élargissement de la tache (la projection peut être positive ou
négative). (ii) Le dipôle n’est pas rigidement lié au système et est libre de s’orienter par
rapport au système (superpolarisabilité). Dans ce cas, il faut tenir compte des fluctuations
thermiques et la déviation est proportionnelle à ( p 2 3k B T ) (∇ F 2 2) , où p est le dipôle
permanent et T la température du système. Comme dans tous les cas on a une déviation de la
forme χ∇ F 2 2 , Il a été finalement décidé d’appeler susceptibilité de l’agrégat le coefficient
de proportionnalité χ, car c’est l’analogue de la susceptibilité d’orientation d’un matériau
formé de molécules dipolaires.
3.2.4.1.2. Agrégats de fluorure de sodium
Dans le cas des agrégats de fluorure de sodium, une bonne part du dipôle permanent
provient de la répartition des charges dans le réseau cristallin. On pouvait donc penser que ce
dipôle était rigidement lié au réseau et que la déviation moyenne serait liée à la polarisabilité
de l’agrégat. Devant le désaccord flagrant entre théorie et expérience, F. Spiegelman a eu
l’idée de comparer les susceptibilités mesurées aux valeurs de ( p 2 3k B T ) calculées en
prenant les dipôles théoriques. L’accord est alors excellent ! Reste à comprendre ce qui crée
ce couplage entre dipôle et fluctuations thermiques, car tout de même le réseau d’un agrégat
de sel est assez fortement rigide. Des calculs et des simulations sont en cours pour tenter de
comprendre ce problème.
3.2.4.2. « Ébullition » d’un agrégat de sodium
Il s’agit d’une collaboration avec le groupe de H. Haberland à Fribourg (Allemagne). Ce
groupe a une magnifique expérience de calorimétrie des agrégats, permettant de mesurer les
courbes caloriques d’agrégats sélectionnés en masse. Outre la transition solide–liquide des
agrégats, ils ont été capables de mesurer la température associée à l’ébullition d’agrégats de
147 atomes de sodium. Or, comme chacun sait, la température d’ébullition dépend de la
pression extérieure. Dans l’expérience, les agrégats sont sous vide, et cette pression est
indéterminée. Suite à une discussion lors d’une école sur les transitions de phase des systèmes
finis (Trente, septembre 2000), P. Labastie a fait deux séjours à Fribourg, afin de participer à
l’élaboration d’un modèle permettant de convertir le taux d’évaporation en pression
équivalente.
Ce modèle est le suivant : supposons que nous ayons, dans un volume fini (et petit), un
agrégat de 147 atomes en équilibre avec sa vapeur. A l’échelle atomique, cet équilibre est
dynamique, c’est-à-dire qu’il y a en permanence évaporation et collage d’atomes sur
l’agrégat, avec un même taux pour l’évaporation que pour le collage. Dans l’expérience, le
taux d’évaporation est connu : c’est l’inverse du temps entre la formation et la détection de
l’agrégat. D’autre part, il est facile de calculer le taux de collage en fonction de la section
efficace de collage et de la densité de la vapeur. En égalant les taux et en tenant compte de
l’équation d’état de la vapeur, on peut en déduire une pression de vapeur équivalente au temps
d’expérience. Ceci a fait l’objet d’une publication [Phys. Rev. Lett., 87 (2001)].
Bien sûr, ce modèle a un défaut, qui est de comparer une situation d’équilibre supposé
(l’équilibre entre un agrégat et sa vapeur existe-t-il ?) à une situation expérimentale qui elle,
est manifestement hors d’équilibre. A-t-on dans ce cas le droit de supposer (ce que fait le
modèle ci-dessus) une microréversibilité entre évaporation et collage ? L’expérience que nous
sommes en train de monter à Toulouse a entre autres pour but de répondre à cette question
(voir la partie projets).
26
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
3.3. Projets
3.3.1. Nucléation d’agrégats
3.3.1.1. Introduction
Un des phénomènes physiques les plus présents dans la vie de tous les jours, et ce
depuis des temps immémoriaux, est sans doute celui de la fusion et de l’évaporation des corps
simples. On en entend parler très tôt au cours de nos études, pour finir par le diagramme de
phase des corps simples au cours des premières années d’université en thermodynamique
classique. D’autre part, ces phénomènes de transitions du premier ordre sont caractéristiques
de la matière macroscopique et ils doivent donc apparaître d’une manière ou d’une autre uand
la taille des objets augmente puisqu'ils n'existent pas dans les atomes ou les molécules.
omment se manifeste l’apparition de ces propriétés dans la matière quand on augmente la
taille des objets étudiés ? Quelle(s) propriété(s) de la surface de potentiel des corps simples
permet(tent) d’expliquer cette transition ? Il n’y a à notre connaissance pas de réponse
complète. D’une manière générale, l’étude de propriétés génériques des surfaces de potentiel
de systèmes finis est d’une importance particulière, tant en ce qui concerne les nanostructures
que les systèmes biologiques. Il est clair que le projet proposé est très fondamental par nature.
Toutefois, les études dans le domaine nanométrique prennent une importance considérable
dans la mesure où les nanotechnologies vont aborder ce domaine de taille. Par exemple, le fait
que des petits objets puissent être liquides à une température très différente de celle de la
matière macroscopique constituera sans doute un problème technologique majeur dans
certains cas.
Depuis une quinzaine d'années, la transition solide–liquide dans les agrégats a été
étudiée par des méthodes numériques. Dans bien des cas, des effets précurseurs de cette
transition ont été « observés » pour des tailles inférieures à 10 atomes. Pour des tailles plus
grosses, on a une transition très nette, quoique étalée sur un domaine de températures ∆T,
avec un effet non trivial d’équilibre « chimique » entre les phases solide et liquide. De
nombreuses observations ont été faites (microscopie électronique, réflectivité) pour des tailles
supérieures à 2 à 3 nm, et une confirmation éclatante des aspects thermodynamiques de cette
transition a été obtenue par Haberland [M. Schmidt, R. Kusche, W. Kronmüller, B. v.
Issendorff, H. Haberland, Phys. Rev. Lett. 79, 99 (1997)] sur des agrégats de sodium.
L’énergétique de la transition liquide– (ou solide–)–gaz est quant à elle moins bien
connue. On doit d’ailleurs avoir plusieurs régimes suivant que l’on évapore les atomes un par
un, ou qu’il y a vaporisation quasi totale en une fois de l’agrégat. Bien sûr, l’évaporation
unimoléculaire a été très étudiée, sans qu’il y ait accord quantitatif entre théorie et expérience
[S. Weerasinghe et F.G. Amar, J. Chem. Phys. 98, 4967 (1993), C. Bréchignac, Ph. Cahuzac,
J. Leygnier, I. Tignères, Eur. Phys. J. D 9, 421 (1999), C. Bréchignac, Ph. Cahuzac, J.
Leygnier, I. Tignères, Chem. Phys. Lett. 303, 304 (1999)]. D’autre part, la fragmentation
simultanée est l’objet d’expériences actuelles en physique nucléaire, mais la théorie est
délicate à mettre en œuvre. En fait, la théorie de l’évaporation unimoléculaire est très
ancienne [L. S. Kassel, J. Phys. Chem. 32, 1065 (1928)]. Elle fait appel à de trop nombreuses
approximations pour être quantitative. Des théories plus récentes (espace de phase) peuvent
sans doute être utilisées au prix d’efforts numériques conséquents et à condition d’avoir un
modèle fiable des interactions dans l’agrégat. En fait, il serait intéressant de mesurer plutôt
que de calculer les quantités intervenant dans cette théorie. Il y en a quatre qui ne peuvent être
calculées que numériquement :
– Densité d’états du parent ;
– Densité d’états du fragment ;
– Taux d’évaporation ;
27
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
– Section efficace de collage (processus inverse de l’évaporation).
De fait, les deux premières quantités peuvent être obtenues par des expériences de
nanocalorimétrie du même type que celles d’Haberland. Il existe plusieurs mesures de taux
d’évaporation. Par contre, il y a eu très peu de mesures de taux de collage d’atomes sur
des agrégats. C’est ce que nous nous proposons de faire dans le cadre de ce projet.
HT
laser d'ionisation
azote liquide agrégats thermalisés
hélium
régulé
0.7 mb
0.7 mb
température
variable
++ +
-
t
HT variable
déflexion
et sélection
+
-4
0.7 mb 10 mb
accélération
pompe
secondaire
8000l/s
r
cteu
déte
+
10-6 mb focalisation
en énergie
++
+-
+ ++
++
u
-3 b
tisse
10 m ralen
r
et
agrégats
tion its
a
r
é
l
u
é
Ec=0,2 eV
c
d
c
o
a es pr
tr i d
cellule de collage
pompage
primaire
roots
2 pompes turbo
400 l/s
Figure 5 : schéma de principe de l’expérience
Nous devons pour cela disposer d’une source d’agrégats thermalisés. A cette fin, il
faut faire passer les agrégats dans une cellule contenant un gaz tampon thermostaté. Ceci n’est
possible de manière précise qu’en continu. De plus, il est nécessaire d’avoir une source
continue si l’on veut travailler avec les lasers femtosecondes de l’équipe de B. Girard sans
trop perdre en rapport cyclique. Nous avons en effet un projet en commun avec cette équipe,
qui démarrera avec notre source pulsée actuelle, mais sera sans doute beaucoup plus aisé en
continu. Nous proposons donc de construire une nouvelle source continue à agrégation
gazeuse suivie d’une cellule contenant un gaz thermostaté. En générant de plus une décharge
à cathode creuse dans la source, il sera possible de produire des agrégats ionisés à température
déterminée.
L’étude du collage est prévue en faisant passer à très faible vitesse des agrégats
sélectionnés en masse dans une cellule contenant les monomères sous basse pression.
3.3.1.2. Présentation de la nouvelle source
Le schéma général de l’expérience est donné sur la figure 5. Le principe de la source est
bien connu. En plus de l’agrégation gazeuse qui a lieu dans la chambre refroidie à l’azote
liquide, il est prévu de réaliser une décharge dans la zone du creuset, ce qui permettra
d’obtenir des agrégats déjà ionisés en nombre conséquent et dans une gamme de taille assez
28
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
étendue. D’autre part, ce type de source permet d’obtenir des agrégats de métaux purs
beaucoup plus facilement que les sources à vaporisation laser. Dans le cadre d’une
collaboration avec l’équipe de H. Haberland (déjà concrétisée par une publication commune),
nous pensons pouvoir disposer des conseils des membres de cette équipe qui ont déjà
construit plusieurs sources du même type. Dans un premier temps, l’élément de thermalisation
serait prévu pour des températures variant de 77 K à quelques centaines de degrés Celsius.
3.3.1.3. Collage d’atomes sur des agrégats
Le principe de l’expérience est donné sur la figure 5. On commence par sélectionner les
agrégats thermalisés d’une masse donnée par un temps de vol direct. Il faut ensuite les
« focaliser en énergie », c’est-à-dire produire un faisceau d’ions d’énergie cinétique très bien
définie (à 1/10 d’eV près). Sur le schéma, cette tâche est confiée à un réflecteur
électrostatique dont la tension varie linéairement en décroissant au cours du temps. Ce
dispositif est efficace en théorie mais très sensible aux incertitudes sur les paramètres
expérimentaux (temps, tensions). Dans le dispositif finalement retenu, les ions se propagent
linéairement, ils ne sont plus réfléchis (la figure 5 reste toujours valable à condition de
« déplier » la trajectoire des ions, la cellule de collage étant maintenant sur l’axe du faisceau
d’ions incidents). Ils sont toujours focalisés en énergie lors de la traversée d’une zone définie
par deux plaques, comme sur le schéma, dans laquelle le champ électrique est commuté cette
fois-ci instantanément (quelques ns) de 0 Vm-1 à une valeur ad hoc lorsque l’agrégat de taille
choisie pénètre entre les plaques. En théorie, ce dispositif est aussi performant que le
précédent, mais beaucoup moins sensibles aux incertitudes expérimentales. Après cette
focalisation, les agrégats sont ralentis à une énergie presque nulle que l’on peut choisir, et
traversent une cellule contenant la vapeur atomique. Le ralentisseur est constitué d’une série
de plaques qui génèrent un champ électrique décroissant exponentiellement, ceci afin de ne
pas défocaliser spatialement le faisceau. Les agrégats traversent ensuite, à basse énergie, la
cellule de collage qui contient une vapeur de sodium atomique (typiquement 600K, 10-3mb).
C’est à ce stade que doit s’effectuer le collage d’un atome de la vapeur sur l’agrégat incident
de taille n pour produire l’agrégat « produit » de taille n+1. Les agrégats sont ensuite
réaccélérés pour un deuxième temps de vol permettant d’analyser les nouvelles masses
produites.
Cette nouvelle configuration permettra aussi de mesurer des taux de fragmentation. On
envisage à plus long terme la construction d’un piège ionique pour mesurer de longues durées
de vie. Enfin, il sera aussi possible de chauffer les agrégats avec un laser dans la zone où ils se
déplacent lentement, et de réaliser des expériences de nanocalorimétrie.
Ce projet a été financé sous forme d’actions spécifiques par le CNRS et l’Université.
L’étude « théorique » de l’expérience est aujourd’hui quasiment achevée et nous avons déjà
reçu une partie du matériel nécessaire à sa réalisation. Le montage débutera en janvier 2002.
3.3.1.4. Aspect théorique
Nous travaillons en étroit contact avec l’équipe théorique de F. Spiegelman du
Laboratoire de physique quantique (UMR 5626). Cette équipe est constituée de chimistes
théoriciens (F. Spiegelman, M.-C. Heitz, G. Durand) et vient de recruter un spécialiste de
thermodynamique des systèmes finis (F. Calvo). Elle a pour projet de construire des modèles
de nanostructures dans divers environnements. Il est indispensable de valider ces modèles par
des expériences. En faisant nos mesures sur des agrégats libres, nous gardons une possibilité
d’analyse très fine par rapport aux expériences en matrice ou sur des surfaces (en particulier
de par la maîtrise de la taille des agrégats étudiés), permettant une comparaison détaillée avec
29
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
les modèles. Une fois validés, ces derniers peuvent ensuite être transposés à des situations
plus compliquées où les expériences sont plus difficiles à analyser.
3.3.2. Dynamique femtoseconde d’agrégats de fluorure de sodium
Les études de dynamique d’agrégats de taille raisonnable (plus gros que le trimère) sont
encore très peu nombreuses. En septembre 2001, nous avons commencé, en collaboration
avec l’équipe « femtoseconde » du laboratoire CAR, une étude expérimentale de la
dynamique des agrégats de fluorure de sodium à l’échelle femtoseconde. Nous envisageons
dans un premier temps, en relation avec nos études antérieures de ces systèmes, d’observer la
dynamique de fragmentation d’agrégats NanFn-1. Nos études de spectroscopie
« nanoseconde » par photodépopulation ont en effet révélé que certains de ceux-ci (de type
« queue de sodium ») présentent des bandes d’absorption dissociatives. Les études théoriques
portant sur la dissociation de Na5F4 ont montré que les voies de dissociation suivies ne sont
pas celles de plus basse énergie (qui impliquent l’évaporation d’un monomère métallique),
mais correspondent à la dissociation d’un dimère NaF. Ce comportement résulte des
propriétés de symétrie de l’état excité. Ceci n’a cependant pas pu être prouvé
expérimentalement par les techniques laser classiques. L’exploration de la dynamique de
dissociation est possible en utilisant un laser femtoseconde et la technique pompe-sonde : un
premier pulse excite l’agrégat (par exemple Na5F4) dans l’état dissociatif, un second sonde
(par photoionisation) le produit de dissociation (Na4F3 dans l’exemple choisi). Nous
mesurerons ainsi, en fonction de l’agrégat initial, le temps caractéristique d’apparition du
produit. De plus, la structure temporelle du signal de sonde nous renseignera sur la dynamique
interne de l’agrégat dans l’état excité. Les problèmes de synchronisation temporelle entre
notre expérience et le laser femtoseconde sont d’ores et déjà résolus et des mesures
préliminaires ont déjà été effectuées : nous sommes capables de détecter dans notre
spectromètre de masse Na4F3 ionisé par laser femtoseconde. Les mesures sur Na5F4 doivent
être réalisées très prochainement. Le signal attendu étant faible, nous avons trouvé une
solution afin de travailler sur fond noir, c’est-à-dire d’éliminer tous les agrégats Na4F3 ne
résultant pas de la dissociation de Na5F4. Il suffit pour ce faire d’envoyer quelques temps
avant le pulse d’excitation femtoseconde un pré-pulse dit de « nettoyage ». Ce pré-pulse, de
10ns, est généré par notre laser excimère, à 308 nm. À cette longueur d’onde, Na4F3 est
ionisé, mais pas Na5F4 (son potentiel d’ionisation est supérieur). Les agrégats Na4F3+, produits
dans le champ électrique du spectromètre de masse, sont donc éjectés hors de la zone
d’ionisation tandis que les espèces Na5F4 ne sont pas affectées. On peut ensuite réaliser les
excitations femtoseconde dans un environnement débarrassé de Na4F3.
Un second volet de ces études consistera à réaliser des expériences dites « pumpdump » sur de petits agrégats de fluorure de sodium, qui ont été proposées par V. Koutecký
[J. Chem. Phys., 114, 2106 (2001)]. Afin de comprendre ce que nous proposons d’observer,
prenons l’exemple de Na2F. Cet agrégat est plié dans son état fondamental, linéaire dans le
premier état excité. Après excitation laser dans cet état, il est par conséquent animé d’un
mouvement périodique de pliage. Imaginons qu’un premier laser, femtoseconde, excite Na2F,
et un second, nanoseconde, l’ionise à partir de cet état excité. En l’absence d’autre
perturbation, on observera un signal d’ionisation résonante à deux photons (R2PI). Si
maintenant on envoie un second pulse femtoseconde après le premier avec un délai variable,
Na2F excité sera désexcité de façon stimulée vers l’état fondamental avec une efficacité
périodique (de même période que celle du mode de pliage) pour des raisons de symétrie : la
désexcitation est plus efficace lorsque l’état excité a la même géométrie que l’état
fondamental. Le signal de R2PI sera donc modulé à cette fréquence, et on pourra observer en
temps réel le « battement d’aile » de Na2F.
30
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
3.4. Publications de l’équipe
3.4.1. Publications dans des revues à comité de lecture
1998
1)
« Melting and phase space transitions in small ionic clusters » F. Calvo, P. Labastie, J.
Phys. Chem. B 102, 2051 (1998)
2)
« Spectral Signature and Metallization of Alkali-Halide Clusters » P. Labastie, J. M.
L'Hermite, P. Poncharal, G. Durand et F. Spiegelman, Zeitschrift-fur-Physikalischechemie 203, 15-36 (1998).
3)
« Chaos and dynamical coexistence in Lennard-Jones clusters » F. Calvo, J. Chem.
Phys. 108, 6861 (1998)
4)
« Monte-Carlo simulation of rotating clusters » F. Calvo, P. Labastie, Eur. Phys. J. D 3,
229 (1998)
5)
« Free-energy calculation for rotating systems using the Monte-Carlo method » F.
Calvo, Chem. Phys. Lett. 291, 393 (1998)
6)
« The largest Lyapunov exponent in molecular clusters. Linear molecules and
application to nitrogen clusters » F. Calvo, Phys. Rev. E 58, 5643 (1998)
1999
7)
« Geometric size effects in the melting of sodium clusters » F. Calvo, F. Spiegelman,
Phys. Rev. Lett. 82, 2270 (1999)
8)
« The Cs(6D3/2)+H2 ->CsH+H reaction : Rotationally resolved total cross sections » V.
Cavero, J.-M. L’Hermite, G. Rahmat, R. Vetter, J. Chem. Phys. 110, 3428-3436 (1999)
9)
«One-electron pseudopotentiel study of NanFn-1 clusters (2 ≤ n ≤ 29). II. Absorption
spectra, spectral signature, and classification » G. Durand, F. Spiegelmann, P.
Poncharal, P. Labastie, J.-M. L’Hermite, M. Sence, J. Chem. Phys. 110, 7884-7892
(1999)
10)
« Ab initio calculations of structural and electronic properties of small silver bromide
clusters » F. Rabilloud, F. Spiegelmann, J.-L. Heully, J. Chem. Phys. 111, 8925-8933
(1999)
11)
« Structure of nitrogen molecular clusters (N2)n, 13<n<55 » F. Calvo, A. Boutin, P.
Labastie, Eur. Phys. D 9, 183 (1999)
2000
12)
« A new method to study metastable fragmentation of clusters using a reflectron timeof-flight mass spectrometer» J.-M. L’Hermite, L. Marcou, F. Rabilloud, P. Labastie,
Rev. Sci. Ins. 71, 2033-2037 (2000)
13)
« Evidence for N1/3 dependence of the sticking cross section of atoms on Van der Waals
clusters » J. Vigué, P.Labastie, F. Calvo, Eur. Phys. J. D 8, 265-272 (2000)
31
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
14)
« Structure of nitrogen molecular clusters (N2)n, 13<n<55 » F. Calvo, A. Boutin, P.
Labastie, Eur. Phys. D 9, 183 (1999)
15)
« Quantum chemical calculations for the Dissociative Recombination of HCN+ and
HNC+ » D. Talbi, A. Le Padellec, J.B.A Mitchell, J. Phys. B 33, 3631 (2000)
16)
« Resonant ion pair formation in electron collisions with HD+ and OH+ » A. Larson, N.
Djuric, W. Zong, C.H. Green, A.E. Orel, A. Al-Khalili, A.M. Derkatch, A. Le Padellec,
A. Neau, S. Rosén, W. Shi, L. Vikor, H. Danared, M. af Ugglas, M. Larsson and G.H.
Dunn, Phys. Rev. A 62, 042707 (2000).
2001
17)
« Electron impact single detachment on the F- ions using the heavy ion storage ring
CRYRING: cross section determination » K. Andersson, D. Hanstorp, Aneau, S. Rosen,
H. T. Schmidt, R. Thomas, M. Larsson, J. Semaniak, F. OsterDahl, H. Danared, A.
Kallberg, A. Le Padellec, Eur. Phys. J. D 13, 323–238 (2001)
18)
« Resonant ion-pair formation and dissociative recombination in electron collisions with
ground-state HF+ ions » A. Larson, N. Djuric, W. Zong, C.H. Green, A.E. Orel, A. AlKhalili, A.M. Derkatch, A. Le Padellec, A. Neau, S. Rosén, W. Shi, L. Vikor, H.
Danared, M. af Ugglas, M. Larsson, G.H. Dunn, Phys. Rev. A 64, 022713/1–9 (2001)
19)
« Ab initio study of silver bromide AgnBrp+ clusters (n ≤6, p=n,n-1) » F. Rabilloud, F.
Spiegelmann, J.-M. L’Hermite, P. Labastie, J. Chem. Phys. 114, 289–305 (2001)
20)
« Electron-Impact Detachment and Dissociation of C4- Ions » A. Le Padellec, D. Pegg,
F. Rabilloud, A. Neau, F. Hellberg, R. Thomas, H.T. Schmidt, M. Larsson, K.
Andersson, H. Danared, A. Källberg, D. Hanstorp, J. Chem. Phys. 115, 10671–7 (2001)
21)
« Electron scattering on CN- » A. Le Padellec, K. Andersson, D. Hanstorp, F. Hellberg,
M. Larsson, A. Neau, S. Rosén, H.T. Schmidt, R. Thomas, J. Semaniak, D. J. Pegg, F .
Österdahl, H. Danared, A. Källberg, Phys. Scripta 64, 467–73 (2001)
22)
« Resonant ion pair formation in the recombination of NO+ with electrons: cross section
determination » A. Le Padellec, N. Djuric, A. Al-Khalili, H. Danared, A.M. Derkatch,
A. Neau, D.B. Popovic, S. Rosén, J. Semaniak, R. Thomas, M. af Ugglas, W. Zong, M.
Larsson, Phys. Rev. A 64, 012702/1–7 (2001)
23)
« Metastable fragmentation of silver bromide clusters » J.-M. L’Hermite, F. Rabilloud,
L. Marcou, P. Labastie, Eur. Phys. J. D 14, 323–30 (2001)
24)
« Evidence for trimers evaporation in silver bromide clusters » J.-M. L’Hermite, F.
Rabilloud, P. Labastie, F. Spiegelman, Eur. Phys. J. D 16, 77–80 (2001)
25)
« Caloric curve across the liquid-to-gas change for sodium clusters » M. Schmidt, T.
Hippler, J. Donges, W. Kronmuller, B. von Issendorf, H. Haberland, P. Labastie, Phys.
Rev. Lett. 87, 203402/1–4 (2001)
3.4.2. Conférences invitées
1)
6th EPS conference on Atomic and Molecular Physics ECAMP, Ph. Poncharal, J.-M.
L’Hermite, I. Reiche, F. Spiegelman, G. Durand, M. Sence, P. Labastie, Conférence
invitée (Siena 14–18 juillet 1998, Italie)
32
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
2)
Workshop « Atomic clusters, INT », P. Labastie, F. Calvo, « Several ways to compute
the density of states for clusters », conférence invitée (Seattle août 1998)
3)
TAMC III, F.Rabilloud, F.Spiegelmann, P.Labastie et J.-M L’Hermite, intervention
orale invitée et poster (Berlin, 5-9 octobre 1999)
4)
Gordon Conference on Molecular and Ionic Clusters MIC2000, F. Spiegelmann,
F.Rabilloud, P. Labastie et J.-M L’Hermite, intervention orale invitée et poster
(Toulouse, 16 avril 2000)
5)
International Workshop on Phase transitions in finite systems, ECT*, P. Labastie,
conférence invitée (Trento, septembre 2000)
6)
International Symposium on the Dissociative Recombination of Molecules with
Electrons: Theory, Experiment, and Applications, A. Le Padellec, « Electron collision
studies on CN+, HCN+/HNC+, CN- and C4- », conférence invitée (Chicago 26-30 août
2001)
3.4.3 Communications à des congrès avec actes
1)
« The metastable fragmentation of silver bromide clusters », F. Rabilloud, A. Le
Padellec, P. Labastie, J.-M. L’Hermite and F. Spiegelmann, Proceedings du
« Symposium Nobel 2000 » en physique des agrégats – Visby – Goteland – 27 juin–2
juillet 2000 – World Scientific, Éditeurs : E Campbell et M Larsson
2)
« Electron collision studies on CN+, CN- and HCN+/HNC+ », A. Le Padellec,
Proceedings du « International Symposium on the Dissociative Recombination of
Molecules with Electrons: Theory, Experiment, and Applications » – Chicago – Illinois,
26–30 Août 2001
3)
“Merged beam studies of the associative ionization process”, A. Le Padellec, X.
Urbain, T. Nzeyimana, E.A. Naji, Proceedings du « International Symposium on the
Dissociative Recombination of Molecules with Electrons: Theory, Experiment, and
Applications » – Chicago – Illinois, 26–30 Août 2001
4)
« Electron collisions on C4- : detachment process and resonant structure », A. Le
Padellec, F. Rabilloud, D. Pegg, K. Andersson, D. Hanstorp, A. Neau, M. Larsson, F.
Hellberg and R. Thomas, Proceedings du « International Symposium on the
Dissociative Recombination of Molecules with Electrons: Theory, Experiment, and
Applications » – Chicago – Illinois, 26–30 Août 2001
5)
« Electron scattering on negative ions in a storage ring », A. Neau, S. Rosen, H.
Schmidt, J. Semaniak, R. Thomas, F. Hellberg, M. Larsson, A. Le Padellec and D.J.
Pegg, Proceedings de « ICPEAC 2001 - XXII International Conference on Photonic,
Electronic and Atomic Collisions » - Santa Fe - New Mexico, 18–24 Juillet 2001
33
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
Publications de membres de l’équipe décrivant des travaux faits à l’extérieur du
laboratoire
Arnaud LE PADELLEC
Articles publiés dans des journaux avec comité de lecture
1998
“ Dissociative recombination and excitation of CH5+: absolute cross sections and branching
fractions ” J. Semaniak, Å. Larson, A. Le Padellec, C. Strömholm, M. Larsson,
S. Rosén,, R. Peverall, H. Danared, N. Djuric, G.H. Dunn and S. Datz, Astrophys. J.,
498(2)Part1, 886, (1998).
“ Dissociative recombination and excitation of CH2+ ” Å Larson, A Le Padellec, J Semaniak,
C. Strömholm, M. Larsson, S. Rosén, R. Peverall, H. Danared, N. Djuric, G.H. Dunn
and S Datz, Astrophys. J., 505, 459, (1998).
“ Dissociative recombination of 3HeH+ : comparison of spectra obtained with 100, 10 and
1meV temperature electron beams ” A. Al-Khalili, H. Danared, M. Larsson,
A Le Padellec, R. Peverall, S. Rosén, J. Semaniak, M. af Ugglas, L. Vikor and W.J. van
der Zande, Hyper. Inter., 114, 281, (1998).
“ Dissociative recombination and excitation of N2+ : cross sections and product branching
ratios” J.R. Peterson, A Le Padellec, H. Danared, G.H. Dunn, M. Larsson, A. Larson,
R. Peverall, C. Strömholm, S. Rosén, M. af Ugglas and W.J. van der Zande. J. Chem.
Phys., 108, 1978, (1998).
“ The dissociative recombination of CN+ ” A. Le Padellec, C. Sheehan and J.B.A. Mitchell,
J. Phys. B, 31, 1725, (1998).
“ New FALP-MS Measurements of H3+, D3+ and HCO+ Dissociative Recombination ”
S. Laubé, A. Le Padellec, O. Sidko, C. Rebrion-Rowe, J.B.A. Mitchell and B. R. Rowe,
J. Phys. B, 31, 2111, (1998).
“ Absolute cross sections and final state distributions for Dissociative Recombination and
Excitation of CO+(v=0) using an ion storage ring ” S. Rosén, R. Peverall, M. Larsson,
A. Le Padellec, J. Semaniak, Å. Larson, C. Strömholm, W. Van der Zande, H. Danared
and G.H. Dunn, Phys. Rev. A, 57, 4462, (1998).
“ A Storage Ring study of the dissociative excitation and recombination of D3+ ”
A Le Padellec, M. Larsson, H. Danared, A. Larson, J.R. Peterson, S. Rosén,
J. Semaniak and C. Strömholm, Phys. Scripta, 57(2), 215, (1998).
1999
“ Branching fractions in dissociative recombination of the NH4+ and NH2+ molecular ions ”,
L. Vikor, A. Al-Khalili, H. Danared, N. Djuric, G.H. Dunn, M. Larsson, A. Le Padellec,
S. Rosén and M. af Ugglas, Astron. Astrophys., 344(3), 1027, (1999).
“ Storage ring measurements of the dissociative recombination and excitation of the cyanogen
ion CN+ ( X 1 Σ + and A 3 Π , v=0) ” A Le Padellec, J.B.A. Mitchell, A. Al-Khalili,
H. Danared, A. Källberg, Å. Larson, S. Rosén, M. af Ugglas, L. Vikor and M. Larsson,
J. Chem. Phys., 110(2), 890, (1999).
“ Merged beam measurement of the Dissociative Recombination of HCN+ and HNC+ ”
C. Sheehan, A. Le Padellec, W.N. Lennard, D. Talbi and J.B.A. Mitchell, J. Phys. B, 32,
3347, (1999).
34
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
“ Resonant ion pair formation in electron collisions with ground state molecular ions “
W. Zong, G. H. Dunn, N. Djuric, M. Larsson, A. Al-Khalili, A. Neau, A. M. Derkatch,
L. Vikor, W. Shi, A. Le Padellec, S. Rosén, H. Danared, and M. af Ugglas, Phys. Rev.
Lett., 83, 951, (1999).
2000
“ Recombination of Simple Molecular Ions Studied in Storage Ring – Dissociative
Recombination of H2O+ ”, S Rosén, A. Derkatch , J. Semaniak, A. Neau, A. Al-Khalili,
A. Le Padellec, L. Vikor, H. Danared, M. af Ugglas, R. Thomas and M. Larsson,
Faraday, Discussion of the Chemcal Society, 115, 295-302 (2000)
“ Dissociative Recombination of D3O+ and H3O+ : absolute cross sections ans branching
ratios ” A. Neau, A. Al-Khalili, S. Rosén, J. Semaniak, A. Le Padellec, A. M Derkatch,
W. Shi, L Vikor, M. Larsson, R. Thomas, M. Nagard, K. Andersson, H. Danared and
M. af Ugglas. , Journal of Chemical Physics, 113, 1762-70 (2000)
2001
“ Dissociative Recombination and Excitation of O2+ : Cross Sections, Product Yields and
Implications for studies of ionospheric airglows ” R. Peverall, S. Rosén, J.R. Peterson,
M. Larsson, A. Al-Khalili, L. Vikor, J. Semaniak, R. Bobbenkamp, A. Le Padellec, and
W.J van der Zande, Journal of Chemical Physics, 115, 5477-84 (2001)
35
Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats
36
4. Optique atomique et applications aux nanostructures
4.1. Composition de l’équipe
Responsables
John Weiner (PR) et Jacques Vigué (DR)
Permanents
Eric Audouard, MCF jusqu’à 09/1998 (il a rejoint alors le laboratoire TSI grâce à une
délégation CNRS du Département SPI en 1998-1999, puis mutation comme MCF à
l’Université de St-Etienne en 1999).
Matthias Büchner, CR1, en stage chez Chris Foot au Clarendon Laboratory du 01/01/01 au
31/12/2001.
Carlo Rizzo PR (depuis le 01/01/1999).
Renaud Mathevet, MCF (depuis le 01/09/1999).
Cécile Robilliard, CR (depuis le 01/10/1999).
Gérard Trénec, Ingénieur de Recherche, responsable des Services Communs du LCAR, à
temps partiel dans l’équipe.
ATER, Post-doc
Bruno Viaris de Lesegno, ATER (09/2001-08/2002).
Doctorants
Christophe Boisseau, boursier MEN (09/1995-08/1998), ATER (09/1998-08/1999). Thèse
soutenue (02/99) : Interactions d’atomes ultra-froids.
Caroline Champenois, AMN (09/1996-08/1999), ATER (09/1999-08/2000). Thèse soutenue
(12/99) : Interférométrie atomique avec l’atome de lithium.
Rémi Delhuille, boursier MEN, moniteur (10/1999-09/2002).
Gaëtan Lévêque, AMN (09/2000-08/2003), thèse codirigée par John WEINER et Christian
GIRARD du CEMES UPR 8011.
Tatjana Wilk, Diplom Arbeit, université de Munich (04/2001-03/2002).
Alain Miffre, boursier MEN, doctorant (10/2001-09/2004).
Visiteurs
Leszek Jozefowski (Université de Cracovie) poste rouge CNRS (1/10/1998-30/06/1999).
Luis Marcassa (Université de Sao Paulo) sur un poste rouge CNRS (un séjour de 3 mois,
ayant débuté en Novembre 1999, a été interrompu, après 1 mois, et n’a pu être terminé à
cause de problèmes de santé).
Vanderlei Bagnato (Université de Sao Paulo) séjour de 1 mois en Novembre-Décembre 1999
financé par le programme de visiteurs de haut niveau du MENRT.
Horst Guenter Rubahn (Institut Max Planck fur Stromungsforschung à Göttingen) séjour de 1
mois au premier semestre 1999, sur un poste de professeur invité sur contingent de
l’UPS.
37
Optique atomique et applications aux nanostructures
Stagiaires
Olivier Gérardin, DEA Physique de la Matière UPS (Mars-Juin 1998)
Rémi Delhuille, DEA Physique de la Matière UPS (Mars-Juin 1999)
Stéphanie Sanchez, Maîtrise UPS (Mars-Juin 1999)
Cyril Guilloux, Ecole Supérieure d’Optique (Orsay) (Juin-Juillet 1999)
Pierre-Yves Baccou, MIP 2ème année (Septembre 1999)
Alain Miffre, DEA Physique de la Matière UPS (Mars-Juin 2000)
Arnaud Rentenier, DEA Physique de la Matière UPS (Mars-Juin 2000)
Gaëtan Lévêque, DEA Physique de la Matière UPS (Mars-Juin 2000)
Tatjana Wilk, Université de Munich, stage de 2 mois (Février-Mars 2000)
Sara Dawson, stagiaire ERASMUS, Université de Nottingham (Avril-Mai 2000)
Joël Sadeler, licence UPS (Juin 2000)
Jean-Philippe Barbaste, Maîtrise UPS (Mai-Juin 2000)
Laurent Doeuvre, Maîtrise UPS (Mai-Juin 2000)
Olivier Allochery, ENS Cachan (Juin-Juillet 2000)
Thierry Lahaye, Magistère Interuniversitaire de Physique ENS-Paris 6 (Juillet 2000)
Arnaud Dupays, DEA Physique de la Matière UPS (Mars-Juin 2001)
Emmanuel Lavallette, DEA Physique de la Matière UPS (Mars-Juin 2001)
Robert Saers, étudiant Erasmus, stage de Maîtrise (Mars-Juin 2001)
Bruno Aymes, stage de licence, UPS (Mars-Juillet 2001)
Joachim de Lataillade, Magistère Interuniversitaire de Physique ENS-Paris 6 (Juillet 2001)
Benjamin Huard, Magistère Interuniversitaire de Physique ENS-Paris 6 (Juillet 2001)
4.2. Introduction
L’équipe « Interférométrie atomique et applications aux nanostructures » est dirigée
par John Weiner et par J. Vigué. Au cours de la période, l’équipe s’est renforcée par le
recrutement de Carlo Rizzo professeur nommé le 1/01/1999, de Renaud Mathevet, MCF
nommé le 1/09/1999 et de Cécile Robilliard, CR nommée le 1/10/1999. Nous travaillons sur
plusieurs projets, qui vont être décrits séparément, mais nous formons une seule équipe avec
des interactions scientifiques et pratiques (partage de matériels et de crédits).
J. Weiner et J. Vigué ont organisé ensemble une école internationale de formation sur
« Les applications de l’optique atomique » du 23 au 28 Mai 1999 au Centre de Physique des
Houches (avec une quarantaine de participants).
4.3. Travaux d’interférométrie atomique (sous la responsabilité de J. Vigué)
Après des travaux théoriques sur l’interférométrie atomique depuis 1994, l’équipe a
entrepris de construire un interféromètre atomique en 1997. Le financement de ce montage a
été assuré par une action spécifique du département SPM du CNRS d’un montant de 200 kF
HT en 1999 et du soutien du laboratoire sur ses crédits de base depuis 1997.
38
Optique atomique et applications aux nanostructures
4.3.1. Activités théoriques en interférométrie atomique
Ces travaux ont été effectués dans le cadre de la thèse de Caroline Champenois, thèse
soutenue en Décembre 1999, avec pour membres du jury extérieurs à notre université : F.
Vedel, A. Aspect et J. Dalibard.
4.3.1.1. Indice de réfraction des gaz pour les ondes atomiques
En 1994, nous avons introduit cet indice de réfraction au moment même où l’équipe de
D. Pritchard (MIT) produisait les premières mesures de l’indice des gaz rares pour les ondes
atomiques de sodium. Nous avons étudié la moyenne correspondant à l’agitation thermique
des atomes du gaz (en collaboration avec le groupe de A. Dalgarno à Harvard) montrant que
les formules utilisées (la nôtre et celle de D. Pritchard et A. Dalgarno) sont fausses et
établissant une nouvelle formule, qui figure dans la thèse de C. Champenois. Nous
souhaitions la publier avec l’équipe de A. Dalgarno, mais après de longs retards, il n’est pas
certain que nous arrivions à le faire ensemble.
D’autre part, nous avons fait une analyse très complète des mesures de l’indice de
réfraction des gaz rares pour les ondes de sodium faites par le groupe de D. Pritchard et calcul
de l’indice avec de nombreux potentiels sodium-gaz rares. Les comparaisons théorieexpérience portent sur le rapport Re(n-1)/Im(n-1) et elles sont assez décevantes : elles mettent
en évidence des défauts des potentiels de la littérature, dont la partie longue distance est
rarement correcte (par référence au développement multipolaire dont les coefficients sont
calculés avec des erreurs assez faibles) et des défauts des mesures dont la dépendance avec la
vitesse des atomes de sodium est difficile à expliquer. En prévision des expériences en
préparation ici, nous avons étendu ces calculs au cas de l’indice de réfraction des gaz rares
pour les ondes de lithium.
4.3.1.2. Contraste des franges dans les interféromètres atomiques à 3 réseaux
Nous avons calculé le contraste des franges produites par ce type d’interféromètre dans
le régime de diffraction de Fresnel et en traitant le problème dans sa généralité [3]. Par rapport
à un travail fait dans l’équipe de D. Pritchard dans lequel les intégrales multidimensionnelles
liées aux divers éléments diffractants étaient prises de manière numérique, nous avons montré
que des calculs analytiques peuvent réduire les calculs numériques de manière très
considérable. Les résultats obtenus sont nombreux et concernent le contraste des franges dans
un interféromètre parfait ou légèrement déréglé, en fonction de divers paramètres (largeur des
fentes de collimation, largeur et position du détecteur).
Nous avons aussi montré que l’interaction de van der Waals entre les atomes et le
matériau des fentes fait que la diffraction par les réseaux matériels est un effet mixte
diffraction d’amplitude et diffraction de phase. Cet effet a été mis en évidence
indépendamment par l’équipe de J.-P. Toennies (MPI Göttingen).
4.3.1.3. Description de la diffraction atomique par les états de Bloch
Dans la littérature, la diffraction atomique par une onde stationnaire laser était traitée de
manière analytique dans deux formalismes différents : approximation de Raman-Nath pour
une onde stationnaire peu épaisse et formalisme à deux états menant à une oscillation de Rabi
pour une onde laser épaisse. Un formalisme unifié nous a semblé nécessaire, au moins autant
pour sa valeur pédagogique que pour pouvoir discuter aisément de la qualité des
approximations. Nous avons montré que la diffraction atomique par une onde stationnaire
laser s’exprime très simplement en utilisant les états de Bloch de l’atome dans le champ
39
Optique atomique et applications aux nanostructures
lumineux [13]. Ces états ont été introduits par Y. Castin et J. Dalibard en 1991 et ils ont très
étudiés expérimentalement depuis 1996, en particulier par les groupes de Ch. Salomon et de
M. Raizen. L’équipe de A. Zeilinger avait publié plusieurs articles avec des idées très proches
des nôtres, mais sans introduire cette idée en détail.
Du point de vue pratique, ce formalisme permet de séparer très clairement les rôles
respectifs des deux paramètres sans dimensions introduits par l’équipe de A. Zeilinger, q= V0/
4 h ωrec et τ = ωrectint où ωrec est la pulsation de recul de l’atome, V0 l’amplitude du potentiel
lumineux vu par l’atome et tint le temps de traversée de l’onde stationnaire. Cette séparation
n’était pas claire car, dans les cas simples (approximation de Raman-Nath, diffraction de
Bragg dans le cas où l’incidence est exactement l’incidence de Bragg), ces deux paramètres
n’interviennent que par leur produit.
4.3.1.4. Test de la neutralité atomique par interférométrie atomique
Nous avons eu l’idée que l’interférométrie atomique pouvait être un outil de choix pour
vérifier la neutralité atomique [25]. Il suffit pour cela d’appliquer un champ électrique
uniforme sur les 2 bras de l’interféromètre, en veillant à ce que la longueur parcourue dans le
champ électrique soit la même pour les deux bras. Une charge atomique non nulle induira un
déphasage proportionnel à la charge et impair avec le champ électrique, ce qui doit permettre
de distinguer ce déphasage du déphasage résiduel dû à la polarisabilité atomique et à une
éventuelle légère différence de longueur des deux chemins dans le champ électrique, car ce
terme résiduel sera pair et quadratique en champ.
Le déphasage résultant d’une charge atomique non nulle croît comme l’inverse du carré
de la vitesse des atomes et avec un jet atomique ralenti, on peut espérer atteindre sur la charge
résiduelle éventuelle d’un atome de lithium une sensibilité voisine de 10-21|qe| où qe est la
charge de l’électron. Jusqu’ici, si on excepte des expériences testant la neutralité
d’échantillons macroscopiques, cette précision n’a été atteinte que sur la nullité de la charge
du neutron par une expérience d’optique neutronique (qui est en fait un interféromètre d’un
type particulier).
Nous comptons faire de premiers essais avec l’hélium sur l’interféromètre de J.-P.
Toennies au MPI Göttingen en 2002. Ce projet en coopération, présenté au programme
Procope, est soutenu.
4.3.2. Construction d’un interféromètre atomique fonctionnant avec des atomes de
lithium.
4.3.2.1. Historique bref
C’est en 1991 que les premiers interféromètres atomiques ont fonctionné. Ces
appareils de types variés :
un interféromètre de Mach-Zehnder à 3 réseaux matériels utilisant un jet supersonique
construit par l’équipe de D. Pritchard,
un interféromètre de Ramsey en absorption saturée sur un jet atomique de calcium
construit par l’équipe de J. Helmcke selon l’idée de Ch. Bordé a permis la première mise en
évidence de l’effet Sagnac pour les ondes atomiques.
un interféromètre utilisant l’atome de sodium refroidi par laser et la diffraction
Raman, construit par M. Kasevich et S. Chu à Stanford, a permis la première mesure par
interférométrie atomique de l’accélération de la pesanteur g.
40
Optique atomique et applications aux nanostructures
En 1996, nous avons décidé de construire ici un interféromètre atomique permettant
une séparation physique des deux bras pour pouvoir réaliser des mesures interférométriques
non limitées aux mesures d’accélération. Nous nous étions particulièrement intéressés à
l’indice de réfraction pour les ondes atomiques et ceci nous a poussés à construire un
interféromètre à atomes chauds. En effet, le seul paramètre permettant de faire varier l’indice
de réfraction de manière non triviale, c’est la vitesse de l’onde atomique à condition qu’elle
soit au moins comparable à la dispersion de vitesse dans le gaz cible. Si donc on utilise un gaz
cible à la température ordinaire (ou éventuellement à une température plus basse du genre 77
K, mais pas un gaz refroidi par laser), l’indice ne dépend effectivement de la vitesse de l’onde
atomique que si celle-ci a une énergie thermique.
Nous nous sommes donc fortement inspirés de l’interféromètre de D. Pritchard, qui a
permis des mesures variées. Cependant, nous avons tiré profit de l’expérience acquise par les
autres groupes qui ont construit des interféromètres de Mach-Zehnder à 3 réseaux utilisant des
atomes aux énergies thermiques et un processus de diffraction élastique (c’est-à-dire sans
action sur l’état interne de l’atome). Il s’agit de l’interféromètre fonctionnant avec l’argon
métastable et la diffraction laser dans le régime de Raman-Nath construit par l’équipe de A.
Zeilinger et de l’interféromètre fonctionnant avec le néon métastable et utilisant la diffraction
laser de Bragg, construit par l’équipe de S.-A. Lee. Le tableau ci-dessous résume les
performances de ces interféromètres :
Equipe
D. Pritchard
D. Prichard
D. Pritchard
A. Zeilinger
S.A. Lee
J. P. Toennies
Contraste
13%
49%
17%
10%
62%
71%
Flux détecté
290 s-1
1900 s-1
2x105 s-1
1,4×104 s-1
1,5×103 s-1
1000 s-1
Année
1991
1997
1997
1995
1995
2001
Nous avons inclus dans ce tableau les résultats de J.-P. Toennies, non encore publiés.
4.3.2.2. Nos choix
La difficulté de réaliser un interféromètre avec des atomes aux énergies thermiques
provient de l’extrême petitesse de la longueur d’onde de l’onde de de Broglie associée aux
atomes. En choisissant un atome léger, pour une même vitesse des atomes, on augmente la
longueur d’onde de de Broglie. Ceci nous a poussé à choisir le lithium, qui, comme les autres
alcalins, peut être manipulé et diffracté par laser grâce à sa raie de résonance à 671 nm
(longueur d’onde pour laquelle il existe des diodes laser), qui peut être détecté par ionisation
de surface avec une assez grande efficacité (détecteur de Langmuir-Taylor). Enfin, si on
utilise un jet supersonique de gaz rare ensemencé en lithium, la vitesse du lithium est celle du
jet et ne diffère pas de celle d’un jet de sodium produit par la même source. Le choix du
lithium est cependant moins commode que le sodium car, d’une part, il faut chauffer le four à
une température plus élevée et, d’autre part, l’efficacité de détection par ionisation de surface
est plus faible à cause de son potentiel d’ionisation plus élevé.
En pratique, l’atome de lithium (7Li de masse m=1,2×10-26 kg) à une vitesse v= 1000 m/s, la
longueur d’onde de de Broglie est :
λ = h /(mv) = 0.057 nanomètre
41
Optique atomique et applications aux nanostructures
Cette valeur est sensiblement dix mille fois plus petite que la longueur d’onde de la lumière
visible. On voit bien que si on appliquait ce rapport d’échelle à notre interféromètre atomique
pour en faire un interféromètre optique, la distance entre les réseaux de diffraction les plus
éloignés étant égale à 1,2 mètre, on arriverait à un objet gigantesque, d’environ 12 km de
longueur !
Nous avons choisi d’utiliser la diffraction de Bragg pour notre interféromètre, car
l’expérience de S.-A. Lee a montré que celle-ci est très efficace et très adaptée à la
construction d’interféromètres : il est amusant de remarquer que dans leur article de revue de
1994 sur l’optique atomique, Adams, Sigel et Mlynek (Phys. Reports 240 pp143-210 (1994))
exprimaient l’idée que la diffraction de Bragg n’était pas bien adaptée pour faire des
séparatrices atomiques. Ceci est faux et la diffraction de Bragg permet de construire un
appareil qui serait parfait, avec une excellente transmission et un contraste théorique égal à
100%, si la dispersion de vitesse du jet atomique était négligeable.
4.3.2.3. Construction et mise au point
Si nos projets datent de l’automne 1996, ce n’est qu’au printemps 1998 que nous
avons reçu une action spécifique du département SPM du CNRS pour construire cet appareil.
C’est aussi au début de 1998 que nous avons pu récupérer des salles en sous-sol adaptées pour
cette expérience et au printemps 1998, nous avons complété la distribution des fluides dans
ces salles.
Au printemps 1998, dans le cadre du stage de DEA d’O. Gérardin, nous avons fait une
expérience d’absorption saturée sur un « heat-pipe » de lithium avec une diode laser
commerciale montée en cavité externe. Ceci nous permet de disposer d’une référence de
fréquence sur les transitions du lithium.
A partir de l’été 1998, la construction de notre interféromètre est entrée dans une
phase active. Le montage à vide a été construit et testé durant l’année universitaire 19981999. Comme nous avons rencontré des problèmes avec notre jet supersonique de lithium
ensemencé dans l’argon, fin 1999, nous avons construit un jet effusif pour optimiser le
détecteur de Langmuir-Taylor utilisant l’ionisation sur un ruban de rhénium oxydé. Dans ce
cadre, nous avons aussi développé une mesure de la densité atomique dans le jet par
absorption d’un laser résonant sur la raie du lithium à 671 nm (stage de DEA d’A. Miffre de
Mars à Juin 2000). Ce travail d’optimisation du détecteur s’est poursuivi par l’étude
systématique de l’oxydation du ruban de rhénium sur l’efficacité et sur le fond du détecteur
(stage de DEA d’E. Lavallette de Mars à Juin 2001). L’ensemble de ce travail expérimental,
complété par une analyse théorique faite par J. P. Gauyacq du LCAM (Université Pars-Sud et
CNRS UMR 8625) est décrit dans un article qui vient d’être soumis à Review of Scientific
Instruments.
Au printemps 2000, le jet supersonique de lithium et le détecteur fonctionnant bien,
nous avons pu faire de premières expériences de diffraction atomique dans le régime de
Bragg. Ces expériences qui ont donné de beaux résultats ont été publiées [15], mais nous ne
les avons pas continuées pour passer à la construction de l’interféromètre proprement dit.
42
Optique atomique et applications aux nanostructures
Figure 2 : exemple de diffraction atomique de laser stationnaire. Le signal mesuré est le nombres d’atomes de
lithium détectés par seconde en fonction de la position (en micromètres) de la fente de détection ; en l’absence de
laser, tous les atomes arrivent sur le pic correspondant à l’ordre 0 et la puissance laser a été choisie ici pour une
diffraction maximale dans l’ordre 1. l’intensité résiduelle dans l’ordre 0 s’explique par la dispersion angulaire et
la dispersion de vitesse du faisceau atomique, ainsi que par la présence de lithium 6, très peu affecté par le laser.
A l’automne 2000, nous avons reconstruit un four pour le jet supersonique de lithium.
Ce nouveau four est toujours chauffé par des Thermocoax mais ces éléments chauffants
fonctionnent avec une densité de puissance par unité de longueur beaucoup plus faible. Ce
nouveau four a été prêt en Mars 2001.
L’interféromètre utilise 3 ondes stationnaires laser quasi-résonnantes avec des
puissances de quelques dizaines de milliwatts chacune pour un écart à résonance de l’ordre de
2 GHz et un diamètre de faisceau de 13 mm dans notre première expérience. Nous utilisons le
faisceau d’un laser à colorant pompé par laser à argon ionisé, après un télescope de
grandissement 5.
La diffraction de Bragg correspond à l’absorption d’un photon dans une onde suivie de
l’émission stimulée dans l’autre onde, ce qui fait que le transfert d’impulsion a lieu selon la
direction normale au miroir plan servant à former l’onde stationnaire. Il faut donc pouvoir
régler très précisément les vecteurs normaux aux trois miroirs pour respecter la condition de
Bragg d’une part et pour que les deux ondes qui interfèrent sur le détecteur aient même
vecteur d’onde d’autre part. Ces trois miroirs sont ajustables dans les deux directions par des
point-trait-plans doubles (point-trait-plan mécanique réglable sous air et point-trait-plan
piézoélectrique réglable sous vide, avec une précision de l’ordre de 1 microradian).
Enfin, le déplacement d’un des miroirs selon la direction normale entraîne un
déphasage de l’onde diffractée par l’onde stationnaire correspondante (pour un déplacement
égal à la demi-longueur d’onde du laser, ce déphasage vaut 2πq pour une diffraction d’ordre
43
Optique atomique et applications aux nanostructures
q). Cet effet sert à balayer les franges de l’interféromètre atomique mais à cause de cet effet, il
est indispensable d’atteindre une excellente stabilité des 3 miroirs de l’interféromètre, car les
vibrations brouillent les franges. Dans les interféromètres de D. Pritchard et de S. A. Lee,
l’amplitude de vibration était mesurée par un interféromètre de Mach-Zehnder optique lié aux
réseaux de diffraction ou aux miroirs des ondes stationnaires laser et cette amplitude de
vibration, qui atteignait plusieurs centaines de nanomètres, était réduite vers 20 nanomètres
grâce à un asservissement. Nous avons construit aussi un interféromètre de Mach-Zehnder
optique lié aux miroirs des ondes stationnaires laser et nous avons trouvé que cette amplitude
de vibration n’est que d’environ 3 nanomètres : ceci est dû au banc très rigide qui porte les
miroirs, au bâti très rigide qui porte l’interféromètre et qui est lui-même situé au sous-sol du
bâtiment.
Au printemps 2001, nous avons terminé l’assemblage final de notre appareil et nous
avons pu l’aligner, ce qui est une opération complexe : pour ne donner qu’un seul exemple, le
faisceau atomique doit être collimaté avec un angle de divergence de l’ordre de 20
microradians, plus petit que l’angle de diffraction de Bragg égal à 170 microradians pour le
premier ordre. Dès les premières expériences effectuées en Juin et Juillet [23], nous avons pu
observer des franges d’interférences avec un flux atomique moyen détecté voisin 1,5 x 104
atomes/seconde et un excellent contraste, 74%, une valeur qui, à notre connaissance, est la
plus élevée jamais obtenue avec un interféromètre atomique utilisant des atomes thermiques.
La figure 3 montre des franges d’interférences enregistées en balayant la position d’un des
miroirs qui forment les ondes stationnaires lasers.
Figure 3 : Signal d’interférences atomiques : le signal mesuré est exprimé en nombre d’atomes de lithium
détectés par seconde (mais chaque mesure ne dure que 0,1 s) en fonction du temps, pendant que l’on balaye la
position d’un des miroirs formant les ondes stationnaires lasers. Un fit sinusoîdal montre la qualité du signal
produit par notre interféromètre. Sur la partie droite, on a arrêté le jet de lithium et enregistré le signal de fond du
détecteur. Le contraste mesuré est de 74%.
44
Optique atomique et applications aux nanostructures
Ces signaux ont été obtenus en Juillet 2001. Une fuite d’eau dans l’écran refroidi
entourant le jet de lithium a endommagé l’ensemble du montage à vide. L’automne 2001 a été
consacré à la reconstruction du montage, en incluant diverses améliorations et l’interféromètre
devrait remarcher très prochainement.
4.3.3. Autres travaux
L’équipe qui travaille sur l’interférométrie atomique a travaillé antérieurement sur deux
thèmes : la physique moléculaire et les collisions d'atomes froids. Ces thèmes sont
actuellement arrêtés du point de vue de la recherche et de façon probablement définitive, mais
ils ont donné lieu à plusieurs publications au cours de ces dernières années.
4.3.3.1. Physique moléculaire et des agrégats
La transition de l’activité de l’équipe de la physique moléculaire vers l’interférométrie
atomique est terminée et la salle d'expérience a été réaménagée pour le projet BMV.
Cependant, nous avons publié des résultats acquis au cours de la thèse de G. Bazalgette sur les
spectres de saturation de la transition A-X de ICl, [4], ainsi que sur les moments des
transitions B-X des molécules IF et ICl, [6], dont les valeurs expérimentales se sont révélées
en remarquable accord avec les calculs de A. Zaitsevskii et C. Teichteil.
A l’occasion du numéro spécial de Physical Chemistry Chemical Physics en l’honneur
de R. Grice, J. Vigué a publié les résultats d’un travail fait au LKB (thèse de D. Khalil
soutenue en 1993, non encore publiée) : il s’agit de l’étude des réactions chimiluminescentes
de F2 + HI, CH3I, ... produisant la molécule IF électroniquement excitée [8].
Un travail en collaboration avec l’équipe Agrégats (F. Calvo, P. Labastie et J. Vigué) a
permis de montrer que la section efficace de collage atome-agrégat de van der Waals varie
comme N1/3 avec la taille N de l’agrégat et non comme N2/3, ce qui serait la loi d’échelle
normale pour une quantité de la dimension d’une surface [7]. Ce résultat, obtenu à partir d’un
modèle de croissance des agrégats dans les expansions supersoniques, est démontré
rigoureusement en analysant le potentiel atome-agrégat et en calculant la section efficace de
collage par un argument de Langevin. Nous pensons qu’il a un réel intérêt pour la physique de
la cinétique de la nucléation en phase gazeuse, ce qui devrait intéresser diverses communautés
(par exemple, celle de physique atmosphérique que nous avons essayé de contacter par un
poster à la 25th general assembly of the European Geophysical Society, Nice avril 2000).
Enfin, J. A. Beswick et O. Vasyuntinskii et moi-même avons entrepris d’écrire un
article de revue sur « Fragment polarization and angular momentum correlations in
photodissociation dynamics », un thème sur lequel J. Vigué a apporté des résultats originaux
dans les années 80 et sur lequel J. A. Beswick et O. Vasyuntinskii sont très actifs.
4.3.3.2. Collisions d’atomes froids
Il s’agit du sujet de la thèse de Christophe Boisseau. L’essentiel de cette thèse porte sur
l’effet de potentiels à longue distance sur les collisions à très basse énergie et sur les niveaux
quantiques vibrationnels très proches de la limite de dissociation. Cette thèse, soutenue en
Février 1999 (avec pour membres du jury extérieurs à notre université : F. Masnou-Seeuws,
B. Verhaar et P. S. Julienne), étudie deux questions :
• la longueur de diffusion atome-atome et la position du dernier état lié, mettant ainsi en
évidence un effet quantique apparemment inaperçu, un analogue pour les derniers états liés
du « seuil quantique » dans le continuum.
45
Optique atomique et applications aux nanostructures
• le calcul des spectres de photoassociation, améliorant ainsi la description analytique de la
fonction d’onde du continuum décrivant le mouvement atome-atome en collaboration avec
P.S. Julienne.
L’ensemble de ces résultats a été publié sous forme d’un article Physical Review [10], avec
la collaboration de P. S. Julienne, d’un article à EPJD avec la collaboration de V. Flambaum
[9] et nous avons enfin publié un « comment » à Physical Review Letters sur une lettre
intitulée « Breakdown of the Bohr Correspondence principle » [11].
Ce thème est pratiquement arrêté, mais il va probablement continuer sous forme de
collaborations : par exemple, Ch. Tanguy a récemment sollicité ma collaboration pour la
comparaison de ses résultats analytiques dans le cas de potentiels particuliers avec nos
résultats.
4.3.4. Projets
Nos projets sont tous centrés sur l’interférométrie atomique. Il est utile de les ordonner
selon leur caractère à court, moyen ou long terme :
• les projets à court terme consistent à améliorer notre interféromètre atomique,
• les projets à court et moyen terme sont de l’utiliser pour des mesures qui permettront
d’en démontrer les performances,
• les projets à long terme consistent à essayer de développer des voies originales avec
l’interférométrie atomique.
Améliorations de notre interféromètre atomique
Au cours de l’année 2002, nous souhaitons améliorer notre interféromètre en
augmentant le signal, le contraste des franges et en réalisant diverses améliorations techniques
et nous espérons approcher ainsi les limites de ce genre d’appareil.
Nous comptons améliorer le montage à vide, car la construction de cet appareil a été réalisée
avec des systèmes de pompage et des mesures de pression résiduelle provenant d’expériences
antérieures démontées et une partie de ce matériel, très ancien ou peu adapté, doit
impérativement être remplacée.
Nous pensons pouvoir améliorer le contraste des franges d’interférence après une
analyse très complète de tous les défauts résiduels de l’interféromètre. Une des premières
améliorations importantes concerne la qualité des fronts d’onde des ondes stationnaires
lumineuses servant à la diffraction atomique.
Nous souhaitons également réduire la puissance laser nécessaire au fonctionnement de
l’interféromètre, en introduisant des cavités Fabry-Pérot de surtension pour former ces ondes
stationnaires. Cette modification doit réduire la puissance laser nécessaire pour faire
fonctionner l’interféromètre par un facteur important, au moins égal à 10, ce qui ouvrira des
possibilités variées :
• faire fonctionner l’interféromètre avec seulement une diode laser avec une puissance
typique de 30 mW.
• en gardant un laser à colorant avec une puissance disponible d’environ 500 milliwatts,
travailler avec des ordres supérieurs de diffraction, ce qui présente l’intérêt de séparer plus les
chemins atomiques.
• utiliser de plus grands écarts à résonance, de l’ordre de 10 à 100 GHz, dans le cas du
premier ordre de diffraction, pour réduire encore la fraction des atomes qui diffuse réellement
un photon de fluorescence, en traversant une onde stationnaire (cette fraction est de l’ordre de
46
Optique atomique et applications aux nanostructures
2% actuellement). Ces atomes perdent la cohérence avec l’onde initiale, ce qui fait qu’ils
contribuent au fond sans contribuer au signal d’interférences atomiques.
Nous pensons choisir la géométrie formée de 2 miroirs plans pour ces cavités FabryPérot, car cette géométrie devrait permettre de produire sans trop de difficultés les gros
faisceaux nécessaires pour la diffraction de Bragg. Pour obtenir une forte surtension c’est-àdire un fort gain de puissance laser, il faut des miroirs d’excellente planéité et superpolis, une
mécanique soignée, des ajustements fins du parallélisme des miroirs utilisant des cales
piézoélectriques, et une électronique d’asservissement.
Nous pensons aussi développer un détecteur par fluorescence induite par laser des
atomes de lithium sortant de l’interféromètre. A condition d’utiliser un repompeur et de
détecter de manière très efficace la fluorescence, ce détecteur aura une efficacité de détection
comparable à celle du détecteur de Langmuir-Taylor actuel et il le remplacera
avantageusement, car ce détecteur laser devrait avoir un bruit de fond sensiblement
Poissonien. Ce détecteur par fluorescence induite serait certainement bien meilleur que le
détecteur de Langmuir-Taylor, si l’on travaillait avec des atomes de vitesse nettement plus
faible que 1000 m/s.
Enfin, le jet atomique de lithium peut être fortement intensifié par les techniques du
refroidissement laser appliquées au mouvement transverse. Nous comptons le faire assez
rapidement, en utilisant des diodes lasers. De plus, pour éviter la sensibilité au gradient du
module champ magnétique résiduel, il faudrait pomper optiquement les atomes de lithium 7
dans un sous-niveau de MF=0, ce qui est possible mais pas très facile.
Mesures interférométriques
Pendant que nous allons procéder aux améliorations décrites ci-dessus, nous comptons
utiliser notre interféromètre pour des mesures variées.
Dans un premier temps, nous comptons réaliser des mesures très sensibles des
interactions subies par l’atome de lithium. Avec notre appareil, la limite que l’on peut espérer
atteindre est de mesurer une perturbation voisine de 10-15 eV. Nous pourrons par exemple
mesurer de manière très précise la polarisabilité électrique de l’atome de lithium, en
appliquant un champ électrique sur un seul des deux bras de l’interféromètre. Cette
expérience a été réalisée sur le sodium par l’équipe de D. Pritchard. Nous comptons la
reproduire sur le lithium, car cette mesure présente l’intérêt de tester la précision et la
reproductibilité des mesures de phase atomique dans notre interféromètre. De plus, la
polarisabilité atomique d’un atome à 3 électrons comme le lithium est susceptible de calculs
très précis et de nombreuses valeurs théoriques sont déjà disponibles. Un test expérimental
précis de ces calculs sera très apprécié par les théoriciens car les anciennes mesures de la
polarisabilité électrique sont trop peu précises pour départager les calculs actuels. Une
précision encore plus grande serait possible si on pouvait appliquer le champ électrique
seulement pendant un temps fixé quand une bouffée d’atomes est totalement dans le
condensateur, car alors il ne serait plus nécessaire de connaître la vitesse des atomes, ce qui
semble être la cause principale d’incertitude dans le travail de l’équipe de D. Pritchard.
Une autre mesure possible consiste à déterminer l’indice de réfraction des gaz pour les
ondes atomiques. Il faut placer un gaz sur un seul des deux bras de l’interféromètre. Pour cela,
on utilise une cellule de gaz avec de petites ouvertures pour laisser entrer et sortir le faisceau
atomique et avec une feuille mince positionnée entre les deux bras de l’interféromètre. On
peut ainsi introduire une faible pression de gaz (environ 10-3 millibar ou moins) sur un seul de
ces deux bras. Cette expérience a aussi été réalisée sur le sodium par l’équipe de D. Pritchard.
L’indice d’un gaz est calculable par la théorie, sans approximations, si on connaît le potentiel
d’interaction entre l’atome de l’onde et celui du gaz. Assez curieusement, dans le cas du
47
Optique atomique et applications aux nanostructures
sodium, l’accord entre mesures et calculs n’est pas très bon, bien que les potentiels sodiumgaz rare soient considérés comme bien connus. Il semble que la sensibilité forte de ces
mesures à diverses propriétés de ces potentiels en fassent des tests sévères de la qualité
globale de ces potentiels. D’autre part, la précision des expériences de D. Pritchard a peut-être
été un peu surestimée par leurs auteurs. Refaire ces expériences avec soin, dans le cas du
lithium, nous semble un test intéressant de la théorie de l’indice et des potentiels lithium-gaz
rare.
Nous avons aussi proposé de rechercher si un atome a une charge électrique non nulle.
Nous avons montré que la sensibilité ultime actuelle est voisine de 10-17 fois la charge
électrique de l’électron et on peut espérer gagner 3 ou 4 ordres de grandeur avec un jet
atomique ralenti. Nous comptons faire de premiers tests en 2002 à Göttingen sur
l’interféromètre à hélium construit par J. P. Toennies au MPI.
Enfin, nous envisageons également de tester la sensibilité de notre interféromètre en
tant que gyromètre. Il est facile de calculer le déphasage correspondant à une vitesse de
rotation Ω de l’interféromètre d’aire A à partir de la formule de l’effet Sagnac :
∆φ = 4π Ω A/( λdB v) = 4π Ω pL2/( a v) = 1,35×104 p Ω (radians)
où L est la distance entre réseaux de diffraction (L = 0,6 m), a est la période du réseau ( a =
335 nm) et p l’ordre de diffraction (p = 1 dans nos expériences actuelles). Si on atteint une
sensibilité de 1×10-2 rad/√Hz (nous estimons avoir déjà atteint 1,7×10-2 rad/√Hz), l’appareil
aura une sensibilité à court terme de 7×10-7 rad/(s√Hz). Cette valeur est considérablement
moins bonne que la valeur de 6×10-10 rad/(s√Hz) atteinte par l’équipe de M. Kasevich, car cet
appareil qui utilise la diffraction Raman produit un signal beaucoup plus intense que notre
appareil, mais une forte limitation de l’appareil de M. Kasevich est sa stabilité à long terme.
Si notre appareil démontre une bonne stabilité, il pourrait être intéressant de tester de notre
interféromètre comme gyromètre et ce d’autant plus que nous aurions réussi à bien augmenter
la sensibilité en phase de notre interféromètre. La difficulté de cette expérience est qu’il
faudrait mettre en rotation tout l’interféromètre, ce qui est faisable mais très difficile avec
notre montage. Pour une démonstration, il semble possible de ne faire bouger que les miroirs
des ondes stationnaires laser, ce qui devrait pouvoir se faire avec des modifications mineures
du montage existant.
Projets à long terme
Nous souhaitons essayer de développer des recherches originales grâce à l’interférométrie
atomique. Il est difficile dans l’état actuel de dresser un tableau précis de ce que nous
pourrons entreprendre. Ceci dépendra bien sûr des résultats obtenus dans les 2 ou 3
prochaines années, de notre capacité à atteindre une très grande précision de mesure et des
limites fondamentales ou pratiques que nous mettrons en évidence. Nous avons entrepris
d’organiser un réseau d’excellence européen sur ce thème et nous comptons aussi sur les
interactions à l’intérieur de ce réseau pour développer et modifier notre prospective, en
particulier dans le domaine des applications spatiales.
D’ores et déjà, il semble clair qu’un développement possible et très intéressant consisterait
à utiliser comme source pour notre interféromètre un jet atomique lent ou un laser à atomes :
• nous pensons qu’il serait possible de remplacer le jet atomique thermique actuel de vitesse
voisine de 1000 m/s par un jet lent produit, soit par ralentissement laser d’un jet thermique
(avec une vitesse finale de l’ordre de 50 à 100 m/s), soit par extraction laser d’un piège
magnéto-optique (avec une vitesse finale de l’ordre de 5 à 20 m/s). Cette deuxième étape
48
Optique atomique et applications aux nanostructures
demande tout d’abord une comparaison très soigneuse des performances et des avantages
de ces deux techniques et dans les deux cas, elle entraînera pratiquement la construction
d’un nouvel interféromètre. Cette modification peut aussi rendre l’appareil beaucoup plus
sensible aux vibrations de basse fréquence et il nous semble nécessaire d’évaluer très
soigneusement ces différents aspects avant de l’entreprendre.
• l’usage d’un laser à atomes est plus ambitieux, car, actuellement, il n’existe pas de laser à
atomes utilisable pour un interféromètre « macroscopique ». Dans cette hypothèse, même
le choix de l’élément lithium risque de ne pas être optimum, car grâce à la très faible
vitesse des atomes, la longueur d’onde de de Broglie est grande même avec un élément un
peu plus lourd que le lithium.
4.3.5. Collaborations nationales et internationales en interférométrie atomique
Durant les 4 années qui viennent de s’écouler, nous avons eu des collaborations avec les
groupes suivants :
groupe de T. Dohnalik à l’Institut de Physique de Cracovie (Pologne).
groupe de A. Dalgarno, ITAMP à l’Université d’Harvard (Cambridge Mass., USA)
groupe de P.S. Julienne au NIST (Gaithersburg, USA)
groupe de J. P Toennies au MPI fur Stromungsforschung à Göttingen (Programme
Procope 2002, demande accordée)
Enfin, nous essayons actuellement de construire un réseau européen d'excellence pour le 6ème
PCRDT sur l’interférométrie et l’optique atomiques, avec les acteurs principaux de ce
domaine.
4.4.Travaux d’optique atomique appliquée aux nanostructures (sous la
responsabilité de J. Weiner)
L’équipe a entrepris de construire deux montages expérimentaux, correspondant tous
deux à de la nanophysique impliquant des forces radiatives.
4.4.1. Création des réseaux de structures photosensibles à résolution nanométrique par
dépôt atomique contrôlé par laser
Le but ultime de ce programme est de fabriquer des réseaux de nanostructures par
dépôt atomique de césium sur des surfaces d’arséniure de gallium (GaAs). Ces structures
formeront un réseau de lignes (réseau à une dimension) ou de plots (réseau à deux
dimensions), avec une régularité et une précision interférométriques. De tels dépôts seront
photo-actifs. Les nanostructures de Cs/GaAs émettront des électrons si elles sont exposées à
de la lumière dans le visible ou dans le proche infrarouge. En outre, ces émetteurs d’électrons
exhiberont la propriété d’ « affinité d’électron négative », c’est-à-dire que dans la zone où le
césium est déposé l’énergie minimum de la bande de conduction penchera en dessous de
l’énergie de l’électron dans le vide. Au milieu de cette zone de dépôt des électrons dans la
bande de conduction coupleront très efficacement au vide avec un bon rendement quantique et
une dispersion angulaire et énergétique très étroite. Nous souhaitons utiliser cette propriété de
photo-émission localisée pour réaliser une imagerie des structures, pour étudier en temps réel
la diffusion atomique sur la surface et aussi le comportement de la photo-activité en fonction
de la taille caractéristique de ces structures (sur une gamme allant de quelques dizaines à
49
Optique atomique et applications aux nanostructures
quelques centaines de nanomètres). En outre la périodicité des plots de Cs devrait produire
des ‘bandes’ d’émission d’électrons supplémentaires (rendement quantique fortement corrélé
à la fréquence de la lumière excitante) et une diffraction du flux des photo-électrons émis.
En 1998 ce projet commençait avec un soutien financier de l’Université Paul Sabatier
(grâce aux dotations BQR), par une action spécifique du CNRS, une action spécifique du
MENRT et une Subvention Régionale du Midi-Pyrénées. Ce soutien initial nous a permis
d’acheter les éléments de vide et de construire les systèmes d’alimentation de puissance, de
sécurité et de pompage. Le dessin du dispositif expérimental, sa construction, et la mise en
place de divers équipements nécessaires pour le fonctionnement du laboratoire caractérisent
les années 1998-1999. Pendant l’année 2000, nous avons commencé de tester la source de Cs
et de prendre les premières mesures de la distribution de vitesse dans le faisceau atomique.
Pendant cette période nous avons bénéficié des séjours de V. BAGNATO (soutenu par le
programme Séjour Scientifique de Haut Niveau du MENRT) et L. MARCASSA (COFE-CUB
et poste rouge, CNRS) qui sont venus travailler avec nous. De juin 2000 à l’automne 2001,
nous avons suspendu le développement de ce programme en faveur de l’initiation de la
nouvelle expérience, « diffraction d’atomes froids par champ optique confiné, » décrite cidessous. Considérant qu’il n’y avait pas assez de ressources humaines ou financières pour
poursuivre deux thèmes simultanément, le jugement collectif optait pour l’expérience de
diffraction. Très récemment (automne 2001), nous avons obtenu un contrat européen
soutenant le thème de réseaux photosensibles et nous avons décidé de réactiver ce
programme. Le dépôt d’atomes froids par des forces lumineuses est maintenant encadré dans
un programme européen IST intitulé « Nanodeposition of Active Ordered Structures by Cold
Atom Technologie » dans une initiative FET (Future and Emerging Technologies)-NID
(NanoInformation Devices) Proactive 2001. Le but principal de ce programme est le
développement des techniques de nanolithographie atomique basées sur le dépôt d’atomes
focalisés par des champs lumineux et capable de produire des nanostructures de taille de
moins de 10 nanomètres.
4.4.2. Diffraction d’atomes froids par champ optique confiné
Nous avons constaté durant l’année 2000 que la manipulation d’atomes par des forces
lumineuses peut se généraliser, et nous sommes partis sur une expérience dessinée
schématiquement dans la figure ci-dessous.
50
Optique atomique et applications aux nanostructures
Figure 1. Un atome avec une quantité de mouvement initiale, ki, rebondit sur un potential lumineux généré par
la lumière ki00 arrivant d'en bas et fortement modulé par les plots de haut indice de réfraction. Les vecteurs k0, k+1 représentent l’impulsion finale de l’atome diffracté dans les ordres correspondants.
Il s’agit de la diffraction des atomes relâchés d’un piège magnéto-optique, rebondissant
et se diffractant sur un potentiel lumineux modulé par un réseau de nanoplots. Afin d’analyser
cette situation à fond, il faut comprendre la formation des potentiels lumineux en champ
proche et le mouvement des paquets d’ondes sous l’influence de ces potentiels. La forme de
ces potentiels peut être taillée par des nanostructures fabriquées de matériaux de haut indice
de réfraction, comme le TiO2 . La possibilité de graver les nanostructures donne une grande
souplesse à la forme de la périodicité (pas seulement sinusoïdal), et rend relativement facile la
réalisation de réseaux à deux dimensions. Ces structures ou un réseau périodique de telles
structures peuvent être couplées au champ optique afin de créer des ondes évanescentes. Le
champ optique qui en résulte démontre une forte modulation périodique d’intensité et de
polarisation. Cette modulation engendre une diffraction de l’onde de matière lorsque des
atomes froids rebondissent du potentiel lumineux. Afin de poursuivre ce thème, nous avons
instauré une collaboration avec Christian GIRARD du Centre d’Elaboration de Matériaux et
d’Etudes Structurales (CEMES), théoricien spécialiste en calcul de champs proches optiques.
En même temps un nouveau doctorant, Gaëtan LEVEQUE, encadré en cotutelle par
J. WEINER et Christian GIRARD du CEMES, a entrepris le calcul des champs proches
modulés par des "nanoplots" de TiO2. Une deuxième collaboration avec Christoph MEIER
(LCAR), spécialiste de la diffusion de paquets d’ondes atomiques, a permis le calcul de la
probabilité de diffraction atomique en fonction de l’orientation des réseaux nanostructurés
(par rapport à l’axe de la chute des atomes), et de la hauteur de la chute. Nous avons montré
par une simulation numérique que la diffraction d’atomes froids sur ces potentiels peut
amener à un angle de diffraction assez grand (~ 2 degrés) et une concentration de l’intensité
diffractée dans le premier ordre d’environ 30%. Ces résultats sont prometteurs pour la
réalisation d’un interféromètre atomique basé sur ces réseaux diffractant et construit sur un
substrat d’une « puce » de taille standard.
Le programme expérimental a progressé durant l’année 2000-2001. Nous avons
accueilli Tatjana WILK, étudiante à l’Université Ludwig-Maximilians à Munich, qui fait son
stage de diplôme-arbeit dans notre groupe. Le système à vide a été mis en place et un piège
magnéto-optique (PMO) rempli d’atomes de Cs à une température très froide a été réalisé. A
l’heure actuelle (décembre 2001) nous sommes en train de déterminer la température précise
des atomes relâchés du PMO, et nous espérons détecter les atomes diffractés au printemps
51
Optique atomique et applications aux nanostructures
2002. Nous utiliserons ces atomes pour démontrer la diffraction atomique par un réseau de
potentiels lumineux.
Ce programme de diffraction atomique s’insère dans un deuxième réseau Européen –
RTN (Research Training Network) qui s’appelle FASTNet (Field Atom-Surface Training
Network) et qui débutera au printemps 2002.
4.5.
Projet BMV : mesure de la Biréfringence Magnétique du Vide (sous la
responsabilité de C. Rizzo)
Il s’agit d’un projet en collaboration entre notre laboratoire, le Laboratoire National des
Champs magnétiques pulsés (LNCMP UMS 5642 à Toulouse), le Laboratoire des Champs
Magnétiques Intenses (LCMI UPR 5021 à Grenoble), et le Service des Matériaux AvancésVIRGO (à l’IPN de Lyon).
Ce projet se développe sous la responsabilité de C. Rizzo qui y consacre 50% de son
activité de recherche, G. Trénec (à 30% de son activité) et J. Vigué (à 20% de son activité).
Une collaboration scientifique soutenue par le programme franco-israélien de collaboration
scientifique "arc-en-ciel" a permis la visite de Gabriel Bialolenker, NRCN, Beer-Sheva,
Israël, pendant 2 semaines (29/09/2001-12/10/2001).
Un stagiaire de licence de Physique à l’UPS, Julien Cabaret, a travaillé dans notre
équipe sur ce projet de Mars à Mai 2001.
C. Rizzo a travaillé sur ce thème sous la direction d'E. Zavattini, avec deux
expériences au Brookhaven National Laboratory (USA) et aux Laboratori Nazionali INFN di
Legnaro (Italie). C. Rizzo ne comptait pas poursuivre cette voie de recherche ici, mais cette
décision a été remise en cause dans le cadre du développement du Laboratoire National des
Champs Magnétiques Pulsés (Directeur : D. Givord) à Toulouse. Un projet a pris forme en
2000. Il est basé sur une collaboration du LCAR avec le LNCMP de Toulouse (Resp. O.
Portugall) et le Service Matériaux Avancés - VIRGO de Lyon (Resp. J-M. Mackowski). Dès
le début G. Rikken (MPI Stuttgart/LCMI Grenoble) a activement collaboré à la définition du
projet, et il doit être nommé en 2002 au poste de nouveau Directeur du LNCMP de Toulouse.
Soutien financier obtenu
250 kF HT: action "jeunes chercheurs" du département SPM du CNRS (Juin 2000)
250 kF HT : action spécifique du Ministère de la Recherche (fin 2000 et début 2001)
4.5.1. Introduction
Depuis les travaux théoriques de Heisenberg et Euler des années 1935 et 1936 on sait
que le vide est un milieu optique non linéaire. Cette prévision très fondamentale n’a jamais
été confirmée expérimentalement [27]. Nous proposons donc de mettre en évidence ce
phénomène par une mesure de l’effet Cotton-Mouton du vide, c’est-à-dire par la mesure de la
biréfringence induite par un champ magnétique dans le vide. Le vide en présence d'un champ
magnétique devrait avoir un indice de réfraction np pour une lumière polarisée parallèlement
au champ magnétique différent de l'indice de réfraction nn pour une lumière polarisée
perpendiculairement au champ magnétique.
52
Optique atomique et applications aux nanostructures
∆n=np −nn =3a
B02
µ0
= 4×10−24 B02 où B0 est mesuré en Teslas.
(1)
La méthode expérimentale que nous pensons adopter est celle présentée dans la
référence [25]. Une présentation générale historique du sujet se trouve dans la référence [27].
L’observation de cet effet correspondra à la première mise en évidence directe du
caractère non linéaire de la propagation de la lumière dans le vide prévu par la EDQ. Bien que
les succès de l'électrodynamique quantique et du modèle standard soient d'énorme
importance, ces deux théories ne sont pas des théories sans failles. Il n'y a pas d'accord, par
exemple, entre les valeurs de la constante de structure fine mesurée par différentes techniques
(T. Kinoshita, Rep. Prog. Phys. 59, 1459 (1996)). Il n'y a pas d'accord entre la mesure du
moment magnétique du muon et la prévision théorique qui tient compte de l'électrodynamique
quantique et des contributions hadroniques (H. N. Brown et al., Phys. Rev. Lett. 86, 2227
(2001)). Nous discuterons brièvement ce dernier cas car il nous concerne de plus près. Une
chose intéressante est tout d'abord à remarquer : toutes ces violations au modèle standard
semblent apparaître à basse énergie (ou à moment transféré quasi nul).
La mesure du moment magnétique du muon en cours aux Brookhaven National
Laboratories, USA. Si cette mesure avait été en très bon accord avec la théorie, elle aurait
donné la mesure indirecte la plus précise du diagramme de Feynman qui représente
l'interaction entre photons et qui correspond à l'effet Cotton-Mouton du vide que nous voulons
mesurer. Ce diagramme fait partie des centaines de diagrammes qu'il faut évaluer pour
calculer la valeur théorique du moment magnétique du muon. Or, le nouveau résultat de
l'expérience est à trois écart type de la valeur théorique et il indique donc l'existence d'une
physique au-delà du modèle standard (H. N. Brown et al., Phys. Rev. Lett. 86, 2227 (2001)).
Ce résultat ne peut pas donc être utilisé pour donner une valeur indirecte de l'effet CottonMouton du vide. Notre diagramme reste indirectement testé seulement à quelques %. Une
mesure de l'effet Cotton-Mouton du vide avec une précision relativement bonne, entre 10 % et
1 %, correspondrait à un des meilleurs tests de EDQ jamais realisés1.
Notre but est ambitieux et il est difficile à atteindre : nous avons donc décidé de nous
fixer plusieurs étapes. Tout d’abord la construction d’un prototype de bobine à champ pulsé à
échelle réduite capable de délivrer 25 T. La réalisation d’un aimant de ce type est un défi
technologique considérable, il serait à notre connaissance l’aimant le plus intense jamais
réalisé en configuration Cotton-Mouton (Voigt). La construction de ce prototype d’aimant
pulsé est déjà commencée au LNCMP de Toulouse grâce au soutien financier (250 kF) que
nous avons obtenu dans le cadre de l’appel d’offre "jeunes chercheurs 2000" du département
SPM du CNRS. En parallèle, nous avons lancé la réalisation d'un ellipsomètre basé sur une
cavité de très haute finesse. Des tests au LCMI, la fabrication des miroirs au SMA et la
réalisation de la mécanique pour la cavité au LCAR sont très avancés. Un soutien financier
(250 kF) pour la réalisation de la cavité optique de haute finesse a été obtenu dans le cadre
d'une action spécifique du Ministère de la Recherche. Les moyens realisés permettront aussi
d'effectuer des tests optiques en présence du champ magnétique de 25 T délivré par le
prototype de bobine réalisé au LNCMP. Si cette étape est franchie, on pourra passer à la
construction finale de l’aimant.
1
Au moment même où la rédaction de ce rapport s'achevait, des "preprint" sont parus annonçant qu'une erreur
dans les calculs théoriques avaient été détectée et cette erreur expliquerait l'essentiel du désaccord théorieexpérience.
53
Optique atomique et applications aux nanostructures
De nos jours, l’expérience la plus avancée est celle de l’équipe fondée par E. Zavattini
dont le responsable actuel est G. Cantatore (D. Bakalov et al., Quantum Semiclass. Opt. 10
(1998) 239). Cette expérience est installée aux Laboratori Nazionali INFN de Legnaro en
Italie (projet PVLAS). Cette équipe italienne a proposé d’utiliser un laser NdYAG de
λ =1064 nm, une cavité de finesse 100000 et un champ de 8 Tesla sur une longueur de 1
mètre. Avec ces paramètres expérimentaux, l'ellipticité Ψ est de l’ordre de Ψ ≈ 5x10-11 rad. La
sensibilité envisagée est de l’ordre de Ψs ≈ 10-8 rad/ Hz . Le temps de mesure attendu, dans
2
les meilleures conditions, pour avoir un rapport signal sur bruit égal à 1 est T =⎛⎜ Ψs ⎞⎟ ≈ 12h.
⎝Ψ⎠
Une première acquisition de données est en cours au laboratoire italien afin de tester
l’appareil complet.
Nous proposons de développer un aimant de 25 T sur une longueur de 1,5 m. Pour
obtenir un champ aussi élevé, il faut que l’aimant soit pulsé avec une durée d’impulsion
d'environ 0,3 s et avec un taux de répétition prévu d’une impulsion toutes les 20 minutes.
Avec un tel champ, une finesse entre 5x105 et 106, L = 1,5 m, λ = 1064 nm, l'ellipticité
Ψ devient de l’ordre de Ψ ≈ 5x10-9 rad et le temps de mesure T de l’ordre de quelques
secondes correspondant à quelques dizaines d'impulsions.
La réduction considérable du temps de mesure nous permettra d’améliorer les résultats
de l’équipe italienne et vraisemblablement de mettre en évidence pour la première fois l’effet
Cotton-Mouton du vide.
4.5.2. Principe de l’expérience
La lumière provenant d’une source laser est polarisée par un prisme polariseur et elle
est emmagasinée dans une cavité Fabry-Pérot (M.Vallet, F. Bretenaker, A. Le Floch,
R. Le Naour, M. Oger, Optics Communication 168 (1999) 423) qui entoure la région où le
champ magnétique est présent. La lumière sortant de la cavité est analysée par un prisme
polariseur. En présence d’un champ magnétique, si l'angle entre la polarisation de la lumière
et le champ magnétique est fixé à θ =45° pour maximiser l’effet, le vide induit une ellipticité
Ψ :
Ψ = 2F L ∆n
(2)
λ
où L est la longueur du chemin optique, F la finesse de la cavité, λ la longueur d’onde de la
lumière.
La mesure de cette faible ellipticité est notre but. Plusieurs sources de lumière sont
envisageables ; les collègues de l'équipe de l'IPN de Lyon dirigée par J-M. Mackowski nous
conseillent d'utiliser un laser Nd :YAG ( λ =1064 nm). En effet, c'est à la longueur d'onde de
1064 nm que les caractéristiques des miroirs réalisables pour la cavité Fabry-Pérot sont les
meilleures possibles actuellement. La sensibilité Ψs de la mesure est en principe limitée par le
bruit quantique au niveau du détecteur et on montre [25] qu'avec un laser de puissance utile
d'environ 100 mW, une sensibilité de Ψs ≈ 5x10-9 rad/ Hz est réalisable. La technique de
détection choisie prévoit que l’effet sera modulé afin d’éliminer les bruits techniques à basse
fréquence et d’approcher cette limite. Cette modulation est obtenue en modulant le champ
magnétique. Plus la fréquence de modulation sera grande, plus il sera simple en principe
d’arriver près du bruit quantique. L'aimant pulsé qui a été calculé par le LNCMP donnera une
oscillation de B2 à 74 Hz, cette fréquence de modulation de l'effet est plus de cent fois plus
grande que celle de l'expérience PVLAS (rotation de l'aimant à 0,33 Hz). ∆n enfin dépend du
champ magnétique disponible et notre expérience avec un produit B2L proche de 1000 T2m
54
Optique atomique et applications aux nanostructures
devrait être fortement avantagée par rapport à l'expérience PVLAS qui fonctionne
actuellement avec B2L=25 T2m car, pour des raisons techniques, l'aimant est utilisé à 5 T.
4.5.3. Premières étapes du projet
4.5.3.1. Développement de la maquette de l’aimant
Notre premier objectif est de réaliser un aimant très allongé dans une dimension
perpendiculaire au champ magnétique. Cette géométrie est déjà utilisée dans les accélérateurs
de particules mais sans être combinée à un générateur pulsé, nécessaire pour produire des
champs magnétiques intenses.
Le champ souhaité de 25 T impose des sévères contraintes à la structure de l’aimant. En
particulier, le renfort de l’aimant qui doit résister à une pression magnétique de 250 MPa à 25
T (correspondant à 2,5 tonnes/cm²) est à optimiser. Afin de minimiser les frais du projet, nous
avons commencé à faire ce travail d’optimisation à une échelle réduite. La fabrication d’une
maquette qui nous permettra d’examiner et de déterminer tous les paramètres de réalisation de
l’expérience proposée constitue donc une des premières étapes de ce projet.
L’équipe du LNCMP de Toulouse est chargée de la réalisation et du test de la maquette
de l’aimant. Tous les éléments nécessaires à la fabrication ont été commandés, la maquette
sera testée avant la fin de l'année 2002. Elle donnera un champ de 25 T sur une longueur de
0,2 m avec un diamètre utile de 20 mm. Le cryostat permettra donc d'envoyer un faisceau
laser le long son axe et l'aimant pourra être utilisé pour des tests optiques.
Il faut remarquer que un tel champ sur une telle longueur donne un B2L de l'ordre de
100 T2m. Cette valeur est déjà nettement plus élevée que la valeur de B2L de l'aimant utilisé
dans le cadre du projet italien PVLAS.
4.5.3.2. Développement de la cavité optique de haute finesse
a) Partage des tâches
L’équipe du laboratoire LCAR de Toulouse et l'équipe du LCMI de Grenoble sont
chargées de la réalisation de l’ellipsomètre. Au LCAR nous avons aménagé une salle destinée
à notre projet et nous commençons à y monter la structure qui supportera la cavité de test.
L’équipe de l’INPL-SMA-VIRGO, qui est chargée de la réalisation des miroirs pour la
cavité Fabry-Pérot, vient de recevoir les substrats et les miroirs seront normalement prêts pour
le début de l'année 2002. La finesse sera comprise entre 5x105 et 1x106.
b) Avancement
Le développement d'un système de haute précision pour la translation et la rotation
sous vide des miroirs de la cavité Fabry-Pérot est très avancé. Les dessins ont été réalisés, les
enceintes ont été fabriquées par une entreprise extérieure et nous sommes en train de réaliser
le bâti et l'assemblage de la cavité. Pour repousser les miroirs loin du champ magnétique la
cavité est d'une longueur de 3,6 m et elle est verticale pour simplifier la construction du
cryostat. Le montage mécanique permet de tourner les miroirs autour de leur centre avec une
précision meilleure que 10-3 rad afin d'aligner leurs axes de biréfringence intrinsèque avec la
polarisation entrante, de tilter les miroirs avec une précision meilleure que 10-4 rad pour
aligner la cavité Fabry-Pérot. Il permet enfin de translater les miroirs de la cavité dans un plan
perpendiculaire à l'axe de la cavité afin de pouvoir choisir de manière optimale le point de la
55
Optique atomique et applications aux nanostructures
surface du miroir. La cavité sera mise sous vide grâce à un équipement pour le vide
disponible au LCAR.
En parallèle, au LCMI, nous sommes en train de construire l'électronique
d'asservissement. L'asservissement du laser Nd:Yag à la cavité sera réalisé suivant la
technique dite de Pound-Drever et Hall en utilisant le cristal du laser même pour moduler la
fréquence de la lumière émise (G. Cantatore et al., Rev. Sci. Instrum. 66, p. 2785 (1995)). La
lumière réfléchie par la cavité est utilisée pour obtenir un signal d'erreur qui, après être traité
par un circuit d'asservissement, est envoyé au système de contrôle du laser. Un prototype de
ce circuit est en cours de réalisation au LCMI de Grenoble.
La source laser, les éléments optiques et les composants de détection, qui seront utilisés
au LCAR, seront ensuite utilisés au LNCMP pour essayer un premier montage optique soumis
au champ magnétique de 25 T pulsés. Ces tests sont très utiles pour aborder les problèmes
ouverts des blindages du champ parasite et plus généralement du bruit induit par l'aimant sur
le système optique. Ces tests sont aussi préliminaires à toute décision pour le dessin final de
l'aimant.
4.5.4. Programme 2002-2003
2002 : Test de la cavité, réalisation du prototype de l'aimant.
2003 : Tests optiques sous champ magnétique.
4.5.5. Collaborations internationales
Nous essayons aussi d'enrichir nos compétences scientifiques grâce à des contacts avec
des équipes et des chercheurs étrangers.
a) A. Arie, Université de Tel-Aviv, Israël
Cette collaboration a été financée dans le cadre du programme franco-israélien arc-enciel 2000-2001. Nous sommes donc en contact avec l'équipe de l'Université de Tel-Aviv,
Département d'électronique, dirigée par le Prof. Ady Arie. Cette équipe conduit depuis
plusieurs années des recherches concernant l'asservissement de cavités Fabry-Pérot de haute
finesse pour des mesures d'ellipsométrie de précision.
b) J. L. Hall, NIST, Boulder, Colorado, USA
Cette collaboration a été soutenue par une bourse de l'Université Paul Sabatier de
Toulouse. J.Hall est un des experts mondiaux de la stabilisation en fréquence des lasers. La
méthode d'asservissement que nous voulons utiliser porte son nom (technique Pound-DreverHall). Grâce aux contacts que nous avons avec son équipe du NIST de Boulder, R. Delhuille a
pu passer un mois chez lui pour se familiariser avec les techniques de stabilisation des lasers.
c) Nous gardons aussi les contacts avec le Prof. E. Zavattini et le Prof. G. Cantatore, nouveau
responsable du projet PVLAS. Dans ce cadre C. Rizzo a fait partie, avec G. Cantatore, du
comité organisateur du Second Workshop on Quantum Electrodynamics and Physics of the
Vacuum, dirigé par E. Zavattini, qui a eu lieu à Trieste, Italie en octobre 2000.
Nous discutons avec eux la possibilité de formaliser nos contacts dans le cadre d'un
programme commun de recherche.
56
Optique atomique et applications aux nanostructures
4.6. Publications de l’équipe
4.6.1. Publications dans une revue à comité de lecture
1. BOISSEAU C., AUDOUARD E., VIGUE J. , Quantization of the highest levels in a
molecular potential, Europhysics Letters 41, 349 (1998).
2. BAZALGETTE G., TRENEC G., AUDOUARD E., BÜCHNER M., VIGUE J.,
Photodissociation of ICl molecule oriented by an intense electric field : experiments and
theoretical analysis, J. Phys. Chem. A 102, pp. 1098-1105 (1998)
3. CHAMPENOIS C., BÜCHNER M., VIGUE J., Fringe contrast in three grating Mach
Zehnder atomic interferometer, Eur. Phys. J. D 5, pp. 363-374 (1999)
4. BAZALGETTE G., BÜCHNER M., CHAMPENOIS C., TRENEC G., VIGUE J.,
Saturation spectroscopy of the A-X transition of ICl molecule, Eur. Phys. J. D 6, pp. 193200 (1999)
5. BESCOS B., LANG B., WEINER J., WEISS V., WIEDENMANN E., GERBER G.,
“Real-time observation of ultrafast ionization and fragmentation of mercury clusters,”
European Physical Journal D 9, 399-403 (1999).
6. ZAITSEVSKII A., TEICHTEIL C., VIGUE J., BAZALGETTE G., Quasirelativistic
transition moment calculations using the multipartitioning perturbation theory : B0+ (3Pi) > X0+ (1 Sigma +) transitions in IF and ICl, Chem. Phys. Lett. 307, pp. 277-282 (1999)
7. VIGUE J., LABASTIE P., CALVO F., Evidence for N1/3 dependence of the sticking
cross-section of atoms on small and medium-size van der Waals clusters, Eur. Phys. J. D 8,
pp. 265-272 (2000)
8. KHALIL D., BILLY N., GOUEDARD G., VIGUE J., Crossed beam studies of some
chemiluminescent reactions producing IF, Phys. Chem. Chem. Phys. 2, pp. 729-736 (2000)
9. BOISSEAU C., AUDOUARD E., VIGUE J., FLAMBAUM V., Analytical correction to
the WKB quantization condition for the highest levels in a molecular potential, Eur. Phys.
J. D 12, pp. 199-209 (2000)
10.BOISSEAU C., AUDOUARD E., VIGUE J., JULIENNE P.-S., Reflection approximation
in photoassociation spectroscopy, Phys. Rev. A 62, pp. 052705/1-10 (2000)
11.BOISSEAU C., AUDOUARD E., VIGUE J., Comment on « Breakdown of Bohr’s
correspondence principle », Phys. Rev. Lett. 86, p 2694 (2001)
12.RIKKEN G.-L.-J.-A., RIZZO C., Magnetoelectric birefringences of the quantum vacuum,
Phys. Rev. A 63, pp. 012107/1-4 (2001).
13.CHAMPENOIS C., BÜCHNER M., DELHUILLE R., MATHEVET R., ROBILLIARD
C., RIZZO C., VIGUE J., Atomic diffraction by a laser standing wave : analysis using
Bloch states, Eur. Phys. J. D 13, pp. 271-278 (2001)
14.COHEN-TANNOUDJI and C. ROBILLIARD, Wave functions, relative phase and
interference for atomic Bose-Einstein condensates, C. R. Acad. Sci. Paris, t. 2, série IV, pp.
445-477 (2001)
15.DELHUILLE R., CHAMPENOIS C., BÜCHNER M., JOZEFOWSKI J., LAHAYE Th.,
MATHEVET R., MIFFRE A., RIZZO C., ROBILLIARD C., TRENEC G., VIGUE J.,
57
Optique atomique et applications aux nanostructures
Some theoretical, axperimental aspects of three-grating Mach-Zehnder
interferometers, C. R. Acad. Sci. Paris, t. 2, serie IV, pp. 587-595 (2001)
atom
16. PEYRADE D., QUIDANT R., WEEBER J.-C., DEREUX A., LEVEQUE G., GIRARD
Ch., YONG CHEN, Simultaneous observation of light localization and confinement in
near-field optics, Europhys. Lett. 56, pp. 517-522 (2001)
17.ASKENAZY S., RIZZO C., PORTUGALL O., “A dipole high-field pulsed magnet to
explore the magnetic birefringence of vacuum,” Physica B 294, 5-9 (2001).
18.ADAMCZAK A., BAKALOV D., BAKALOVA K., POLACCO E., RIZZO C., On the
use of a H2-02 gas target in muonic hydrogen atom hyperfine splitting experiments, sous
presse Hyp. Int. (2002)
19.LEVEQUE G., COLAS DES FRANCS G., GIRARD Ch., WEEBER J.-C., MEIER Ch.,
ROBILLIARD C., MATHEVET R. and WEINER J., Polarisation state of the optical near
field, Phys. Rev. E (à paraître) (2002)
20.BASTIDA A., ZUNIGA J., REQUENA A., MIGUEL B., BESWICK J.-A., VIGUÉ J.,
HALBERSTADT N., Molecular dynamics simulation of the I2(X)...Ar isomers population
in a free jet expansion : thermodynamics versus kinetic control, J. Chem. Phys., accepté
pour publication (2002)
21.MATHEVET R., DELHUILLE R., RIZZO C., Computation of the phase induced by nonnewtonian gravitational potentials in atom interferometry, soumis à Classical and Quantum
Gravity (2002)
22.DELHUILLE R., MIFFRE A., LAVALLETTE E., BÜCHNER M., RIZZO C., TRÉNEC
G., VIGUÉ J., LOESCH H.J. and GAUYACQ J.P., Optimization of a Langmuir-Taylor
detector for lithium, soumis à Rev. Scient. Instrum. (2002)
23.DELHUILLE R., CHAMPENOIS C., BÜCHNER M. , JOZEFOWSKI L. , RIZZO C.,
TRÉNEC G. and VIGUÉ J., High contrast Mach-Zehnder lithium atom interferometer in
the Bragg regime, preprint quant-ph/0111052, soumis à Appl. Phys. B. (2002)
24.LEVEQUE G., MEIER Ch., MATHEVET R., ROBILLIARD C., WEINER J., GIRARD
Ch. and WEEBER J.-C., Atomic diffraction from nanostructured optical potentials, soumis
à Phys. Rev. A (2002)
4.6.2. Actes de Congrès
22.CHAMPENOIS C., BOISSEAU C., AUDOUARD E., VIGUE J., Indice de réfraction pour
les ondes atomiques. Ann. Phys. Fr. 23 C1 pp 223-224 (1998)
23.ASKENAZY S., RIZZO C., PORTUGALL O., A dipole high field pulsed magnet to
explore the magnetic birefringence of vacuum : formulae for the magnet characteristics,
Proc. of the 6th International Symposium on Research in High Magnetic Fields, Porto,
Portugal, August 2000, Physica B 294-295, (2001) pp 5-9.
24.CHAMPENOIS C., BÜCHNER M., DELHUILLE R., MATHEVET R., ROBILLIARD
C., RIZZO C., VIGUE J., A novel method to test atom neutrality with a Mach-Zehnder
atom interferometer, Workshop Hydrogen Atom II, Castiglione della Pescaia, Italie, Juin
2000, S. G. Karshenboim, F. Pavone, F. Bassani, T. W. Hänsch, M. Inguscio éditeurs,
Springer Lecture Notes in Physics p 554 (2001)
58
Optique atomique et applications aux nanostructures
25.ASKENAZY S., BILLETTE J., DUPRE P., GANAU P., MACKOWSKI J., MARQUEZ
J., PINARD L., PORTUGALL O., RICARD D., RIKKEN G.-L.-J.-A., RIZZO C.,
TRENEC G., VIGUE J., A 25 T dipole pulsed magnet to study the magnetic birefringence
of vacuum : the BMV project, Quantum electrodynamics and the physics of vacuum,
Proceedings of the Workshop QED 2000, Trieste, Italie Octobre 2000, AIP conference
proceedings 564, G. Cantatore ed., pp. 115-122 (2001)
26. DELHUILLE R., CHAMPENOIS C., BÜCHNER M., MATHEVET R., RIZZO C.,
ROBILLIARD C., VIGUE J., Atom interferometry : principles and applications to
fundamental physics, Quantum electrodynamics and the physics of vacuum, Workshop
QED 2000, Trieste, Italie Octobre 2000, AIP conference proceedings 564, G. Cantatore
ed., pp 192-199 (2001)
4.6.3. Articles de vulgarisation
27. RIZZO C., L'effet Cotton-Mouton du vide : un siècle d'histoire, Bulletin de la S.F.P., 122,
p. 8 (1999).
28.VIGUÉ J., La lumière dévie bien les électrons, Article sur l’observation récente de l’effet
KAPITZA DIRAC avec les électrons, La Recherche 349, pp. 18-19 (2002).
4.6.4. Conférences invitées
C1. CHAMPENOIS C., DUPLAA P., AUDOUARD E., BÜCHNER M., TRENEC G.,
VIGUE J., Index of refraction of gases for atomic waves, 3rd European Meeting of the
molecular beam dynamics Group : Molecular Physics of Structure Change, Lunteren,
Pays Bas 2-4 Sept. 1998
C2. BAZALGETTE G., TRENEC G., AUDOUARD E., BÜCHNER M., VIGUE J.,
Oriented ICl molecules probed by photodissociation, Colloque Franco-Taiwanais :
dynamique moléculaire, Orsay, 12-14 Octobre 1998
C3. BÜCHNER M., CHAMPENOIS C., BOISSEAU C., JOZEFOWSKI L., RIZZO C.,
VIGUE J., Atomic interferometry with lithium, INFM general meeting, Catania, Italie,
14-18 Juin 1999
C4. BÜCHNER M., CHAMPENOIS C., BOISSEAU C., DELHUILLE R., JOZEFOWSKI
J., RIZZO C., VIGUE J. : Principle and design of an atomic interferometer working
with lithium atom, Workshop : Atomic interactions in laser fields, Torun, Pologne 1-3
Septembre 1999
C5. MENNERAT-ROBILLIARD C., MATHEVET R., BÜCHNER M., VIGUE J.,
WEINER J. : Nanolithographies par forces radiatives, Atelier Surfaces et interfaces,
Porquerolles 27 Septembre-1er Octobre 1999
C6. WEINER J., Nanoprobes activées par la lumière - applications en imagerie et en
lithographie, Optique Atomique et ses Applications, Les Houches, 23-28 Mai 1999
C7. WEINER J., Colloque : Lasers, mesures de précision et optique quantique, Les
Houches, 26 Septembre-1er Octobre 1999
59
Optique atomique et applications aux nanostructures
C8. DELHUILLE R., CHAMPENOIS C., BÜCHNER M., JOZEFOWSKI L., LAHAYE
Th., MATHEVET R., MIFFRE A., RIZZO C., ROBILLIARD C., TRENEC G., VIGUE
J., Some theoretical and experimental aspects of three-grating Mach-Zehnder atom
interferometers, 6th Atom Optics and Interferometry Workshop, Cargese, France, 26-29
juillet 2000
C9. WEINER J., Atomic manipulation by force fields and the promise of ‘bottom-up’
nanostructure fabrication, Seventh International Conference on Interdisciplinary Topics
in Science « Important Problems for the XXI Century », Brijuni, Croatie 28 Août-2
Septembre 2000
C10. DELHUILLE R., CHAMPENOIS C., BÜCHNER M., MATHEVET R., RIZZO C.,
ROBILLIARD C., VIGUE J., Atom interferometry : principles and applications to
fundamental physics, Workshop QED 2000 : Quantum electrodynamics and the physics
of vacuum, Trieste, Italie, 5-11 Octobre 2000
C11. ASKENAZY S., BILLETTE J., DUPRE P., GANAU P., MACKOWSKI J.,
MARQUEZ J., PINARD L., PORTUGALL O., RICARD D., RIKKEN G.-L.-J.-A.,
RIZZO C., TRENEC G., VIGUE J., A 25 T dipole pulsed magnet to study the magnetic
birefringence of vacuum : the BMV project, Workshop QED 2000 : Quantum
electrodynamics and the physics of vacuum, Trieste, Italie, 5-11 Octobre 2000
C12. LEVEQUE G., Diffraction d’atomes froids par champ optique confiné, Ecole de
Nanoscience, Dijon, 18 Juin 2001
C13. DELHUILLE R., CHAMPENOIS C., BÜCHNER M. , JOZEFOWSKI L. , RIZZO C.,
TRÉNEC G., VIGUÉ J., Interférométrie sur un jet d’atomes de lithium, Journées du
GREX 2001, Grasse, 9-11 Octobre 2001
C14. WEINER J., Atom manipulation and nanostructure fabrication, International
Conference on « Current Developments in Atomic, Molecular and Chemical Physics
with applications », Delhi, Inde, 20-22 Mars 2002
4.6.5. Publications de permanents de l'équipe obtenues dans le cadre de leurs activités
précédant leur arrivée au Laboratoire
4.6.5.1. M. BÜCHNER
Publications dans une revue à comité de lecture
BOURGUIGNON B., CARREZ S., BÜCHNER M., HENRY C.-R., Laser desorption of Ccontaminated Pd clusters grown on MgO(100), Chem. Phys. Lett. 287, pp. 40-46 (1998)
4.6.5.2. R. MATHEVET
Publications dans une revue à comité de lecture
BRODSKY K., MATHEVET R., LAWSON DAKU B.-J., BAUDON J., ROBERT J., Single
and double interaction zone with comoving fields in Stern-Gerlach atom interferometry,
Europhys. Lett., 44, pp. 137 (1998)
MATHEVET R., BRODSKY K., BAUDON J., BROURI R., BOUSTIMI M., VIARIS DE
LESEGNO B., ROBERT J., Double atom interferometer, Phys. Rev. A 58, pp. 4039-43
(1998)
60
Optique atomique et applications aux nanostructures
BAUDON J., ROBERT J., MINIATURA C., GORCEIX O., LAWSON DAKU B.-J.,
BRODSKY K., MATHEVET R., PERALES F., Comments At. Mol. Phys., 34, pp. 161-181
(1999)
BAUDON J., MATHEVET R., ROBERT J., Atomic interferometry, J. Phys. B 32, pp. R17395 (1999)
BOUSTIMI M., BAUDON J., SEMLALI A., MATHEVET R., LABANI B., The problem of
an atom inside a cavity in an infinite isotropic medium, Surface Science, 437, pp. 91-98
(1999)
BRODSKY K., PERALES F., LAWSON-DAKU B. J., MATHEVET R., BAUDON J.,
ROBERT J., What is the state of a hydrogen atom leaving a Stern-Gerlach interferometer?,
Int. J. Theo. Phys. 38, pp. 259-76 (1999)
MATHEVET R., BAUDON J., ROBERT J., The genericity property of comoving fields,
Phys. Rev. A 61, pp. 033604/1-5 (2000)
Actes de congrès
MATHEVET R., BRODSKY K., PERALES F., BOUSTIMI M., VIARIS DE LESEGNO B.,
ROBERT J., BAUDON J., Some new effects in atom Stern-Gerlach interferometry, in
"Atomic, molecular Beams, The State of the Art 2000", R. Campargue ed., Springer (2000)
KRANZELBINDER G., TOUSSAERE E., MATHEVET R., JOSSE D., ZYSS J., Organic
DFB-lasers with mode emission tuneability by dynamic and permanent photoinduced
gratings, Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2000), TOPS Vol.39, Opt. Soc.
America (2000) p. 113
Conférences invitées
MATHEVET R., BRODSKY K., PERALES F., RUBIN K., ROBERT J., BAUDON J., Some
new effects in atom Stern-Gerlach interferometry, Symposium on elementary chemical
processes, Perugia, Italie, Juillet 1998
MATHEVET R., BRODSKY K., PERALES F., RUBIN K., ROBERT J., BAUDON J. Some
new effects in atom Stern-Gerlach interferometry, 21st Rarefied gas dynamics symposium,
Marseille, Juillet 1998
PERALES F., MATHEVET R., BRODSKY K., RUBIN K., ROBERT J., BAUDON J.,
Developments in atomic Stern-Gerlach interferometry, 7th workshop on laser physics, Berlin,
Allemagne, Juillet 1998
ROBERT J., BAUDON J., MATHEVET R., VIARIS DE LESEGNO B., BOUSTIMI M.,
BRODSKY K., PERALES F., Longitudinal, angular coherences in Stern-Gerlach atom
interferometry, Amel, Pays Bas, 1999
MATHEVET R., BRODSKY K., BOUSTIMI M., VIARIS DE LESEGNO B., GORLICKI
M., PERALES F., REINHART J., BAUDON J., ROBERT J., Atomic gradiometer with
comoving fields, Rencontres de Moriond, France, 1999
61
Optique atomique et applications aux nanostructures
4.6.5.3. C. RIZZO
Publications dans une revue à comité de lecture
CONTI L., CANTATORE G., CERDONIO M., ORTOLAN A., PRODI G.-A., RIZZO C.,
RUOSO G., TAFFARELLO L., VITALE S., ZAVATTINI E., ZENDRI J.-P., Optical
transduction chain for gravitational wave bar detectors, Rev. Sci. Instrum. 69, pp. 554-558
(1998)
BRANDI F., DELLA VALLE F., DE RIVA A. M., MICOSSI P., PERRONE F., RIZZO C.,
RUOSO G., ZAVATTINI G., Cotton-Mouton effect of molecular oxygen: a novel
measurement, J. Opt. Soc. Am. B 15, pp. 1278-1281 (1998)
RIZZO C., On the measurement of the vacuum magnetic birefringence using a 100 T pulsed
magnet, Europhys. Lett., 41, pp. 483-487 (1998)
BAKALOV D., BRANDI F., CANTATORE G., CARUGNO G., CARUSOTTO S., DELLA
VALLE F., DE RIVA A. M., GASTALDI U., IACOPINI E., MICOSSI P., MILOTTI E.,
ONOFRIO R., PENGO R., PERRONE F., PETRUCCI G., POLACCO E., RIZZO C.,
RUOSO G., ZAVATTINI E., ZAVATTINI G., Experimental method to detect the magnetic
birefringence of vacuum, Quantum Semiclass. Opt. 10, pp. 239-250 (1998)
BAKALOV D., BRANDI F., CANTATORE G., CARUGNO G., CARUSOTTO S., DELLA
VALLE F., DE RIVA A. M., GASTALDI U., IACOPINI E., MICOSSI P., MILOTTI E.,
ONOFRIO R., PENGO R., PERRONE F., PETRUCCI G., POLACCO E., RIZZO C.,
RUOSO G., ZAVATTINI E., ZAVATTINI G., The measurement of vacuum polarization :
the PVLAS experiment, Hyperfine Interactions, 114, pp. 103-113 (1998)
RIZZO A., RIZZO C., The differential magnetizability and the Cotton-Mouton effect of
gases, Mol. Phys., 96, pp. 973-978 (1999)
BIALOLENKER G., POLACCO E., RIZZO C., RUOSO G., First evidence of the linear
magnetic birefringence of the reflecting surface of interferential mirrors, Appl. Phys. B 68,
pp. 703-706 (1999)
BRANDI F., BREGANT M., CANTATORE G., DELLA VALLE F., CARUSOTTO S. , DI
DOMENICO G., GASTALDI U., MILOTTI E., PENGO R., POLACCO E., RIZZO C.,
RUOSO G., ZAVATTINI E., ZAVATTINI G., Optical production and detection of dark
matter candidates, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section A
(Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment) 461, 329-31 (2001)
Actes de Congrès
PENGO R., BAKALOV D., GASTALDI U., PETRUCCI G., BIALOLENKER G., BRANDI
F., POLACCO E., CANTATORE G., DELLA VALLE F., MICOSSI P., MILOTTI E.,
RIZZO C., ZAVATTINI E., IACOPINI E., BREGANT M., RUOSO G., ZAVATTINI G.,
Magnetic birefringence of vacuum: the PVLAS experiment, Proc. of the workshop on
Frontier tests of Quantum Electrodynamics and physics of the vacuum, Sandanski, Bulgaria,
June 1998, E.Zavattini, D.Bakalov, Rizzo C. eds., Heron Press, Sofia, Bulgarie, pp. 59-71
(1998)
62
Optique atomique et applications aux nanostructures
Edition des actes de congrès
E. ZAVATTINI, BAKALOV D., RIZZO C., Editeurs des « Proceedings » du Workshop:
Frontier Tests of Quantum ElectroDynamics and Physics of the Vacuum, Sandanski,
Bulgaria, 9-15 June 1998, Heron Presse, Sofia, Bulgarie (1998) 448 pages
4.6.5.4. C. ROBILLIARD
Publications dans des revues à comité de lecture
MENNERAT-ROBILLIARD C., GUIDONI L., PETSAS K. I., VERKERK P., COURTOIS
J.-Y., GRYNBERG G., Bright optical lattices in a longitudinal magnetic field. Experimental
study of the oscillating and jumping regimes, Eur. Phys. J. D 1, pp. 33-45 (1998)
MENNERAT-ROBILLIARD C., BOIRON D., FOURNIER J.-M., ARADIAN A., HORAK
P., GRYNBERG G., Cooling cesium atoms in a Talbot lattice, Europhys. Lett. 44, pp. 442448 (1998)
GUIBAL S., MENNERAT-ROBILLIARD C., TRICHE C., COURTOIS J.-Y., GRYNBERG
G., Diffusion Rayleigh stimulée dans un réseau d'atomes froids : effet de la pression de
radiation et analogie avec l'effet photoréfractif, Actes de COLOQ V, Ann. Phys. Fr. 23, 1998
(Colloque C1, supplément au n°1) pp. 201-202
MENNERAT-ROBILLIARD C., LUCAS D., GUIBAL S., TABOSA J., JURCZAK C.,
COURTOIS J.-Y., GRYNBERG G., A ratchet for cold rubidium atoms : the asymmetric
optical lattice, Phys. Rev. Lett. 82, pp. 851-854 (1999)
BOIRON D., MENNERAT-ROBILLIARD C., FOUNIER J.-M., GUIDONI L., SALOMON
C., GRYNBERG G., Trapping and cooling cesium atoms in a speckle field, Eur. Phys. J. D 7,
pp. 373-377 (1999)
GRYNBERG G., HORAK P., MENNERAT-ROBILLIARD C., Spatial diffusion of atoms
cooled in a speckle field, Europhys. Lett. 49, pp. 424-430 (2000)
GRYNBERG G., ROBILLIARD C., Cold atoms in dissipative optical lattices, Phys. Rep.
355, pp. 335-451 (2001)
ROBILLIARD C., LUCAS D., GRYNBERG G., Modelling a ratchet with cold atoms in an
optical lattice, Appl. Phys. A (2002)
4.6.5.5. J. WEINER
Publications dans des revues à comité de lecture
TSAO C.-C., WANG Y., R. NAPOLITANO R., WEINER J, Anisotropy of optical
suppression in photoassociative ionization collisions within a slow, collimated sodium atom
beam, European Physical Journal D 4, 139-44 (1998).
WEINER J., BAGNATO V. S., ZILIO S., JULIENNE P.-S., Experiments and theory in cold
and ultracold Collisions, Rev. Mod. Phys. 71, 1-85 (1999)
DEGRAFFENREID W., RAMIREZ-SERRANO J., LIU Y-M., ROSENBAUM A. ,
WEINER J., Structure in the angular dependence of optical suppression of photoassociative
ionisation collisions within an optically cooled, collimated sodium atom beam, J. Appl. Phys.
B 71, pp. 881-884 (2000)
63
Optique atomique et applications aux nanostructures
DEGRAFFENREID W., RAMIREZ-SERRANO J., LIU Y-M., WEINER J., A continuous
dense highly collimated atom beam source for the study of cold collisions, Rev. Sci. Instr. 71,
pp. 3668-3676 (2000)
RAMIREZ-SERRANO J., DEGRAFFENREID W., WEINER J., Polarization-dependent
spectra in the photoassociative ionization of cold atoms in a bright sodium beam, soumis à
Phys. Rev. A
Articles de vulgarisation
WEINER J., Atom traps and studies of ultracold atoms, in Encyclopaedia of Chemical
Physics and Physical Chemistry, (sous presse)
Conférences invitées
WEINER J., Ultracold Collisions in Traps and Beams, Fifth International Workshop on the
Physics, Modern Applications of Lasers, Gaborone, Botswana, 3-7 Août 1998
WEINER J., What precision molecular spectroscopy can you tell you about atomic structure,
Sixth International Conference on Interdisciplinary Topics in Science “End of Century State
of Science” Brijuni, Croatie, 7-11 Septembre 1998
WEINER J., Ultracold Collisions and the cold molecule formation, Workshop on
Spectroscopy and Applications, Dakar, Sénégal, 5-11 Décembre 1998
WEINER J., Polarisation studies of cold collisions within a slow, bright atom beam,
Workshop on Prospects of Cold Molecules, 8-10 November 1999, International Science
Forum, Heidelberg, Allemagne, 8-10 Novembre 1999
WEINER J., What cold collisions have told us about atomic structure, Bose-Einstein
condensates, and the promise of cold-molecule studies, American Chemical Society
Symposium on Very Low Temperature Spectroscopy and Dynamics, Washington, USA, 2025 Août 2000
WEINER J., Spin-polarized photoassociation and beam-loss spectroscopy in an intense, slow,
bright atom beam, Workshop on Prospects of Cold Molecules II, St. Martins, Graz, Autriche,
13-15 Novembre 2000
WEINER J., Cold collisions and what they tell us about Bose-Einstein condensates in real
gase, Quantum Optics Summer School, Bonn, Allemagne, 18-31 Août 2001
Livres:
Fundamentals of Atomic, Molecular, and Optical Science and Engineering, WEINER J.,
HILL III W., HO P.-T., LEE C., (Wiley, New York, en préparation)
Cold and Ultracold Collisions in Quantum Microscopic and Mesoscopic Systems, WEINER
J. (Cambridge Press, Cambridge, en préparation)
64
5. Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
5.1. Composition de l’équipe
Responsable :
Bertrand GIRARD
Permanents :
Mme Valérie BLANCHET, Chargée de Recherches depuis le 01/09/1998
M. Mohamed-Aziz BOUCHENE, Maître de Conférences
Mme Béatrice DE BEAUVOIR, Maître de Conférences du 01/09/1997 au 30/09/2001,
Chargée de Recherches depuis le 01/10/2001
M. Bertrand GIRARD, Professeur des Universités
ATER, post-docs
Arrivée
Départ
M. Sylvain
BARBAY
ATER
25/01/1998 31/08/1998
M. Jean-Marc
COQUEL
ATER
01/10/1998 31/08/1999
Mme Emma
SOKELL
Post-doc MAE
01/12/1998 01/09/1999
Doctorants
Arrivée
Départ
Mlle Celine
NICOLE
DOCTORANTE
01/11/1995 30/11/1998
M. Sebastien
ZAMITH
DOCTORANT
01/10/1998 21/12/2001
M. Jerome
DEGERT
DOCTORANT
01/10/1999
Visiteurs :
Arrivée
Départ
M. Chang-Jian
DAI
UN. ZHEJIANG
01/03/1998 31/05/1998
Mlle Andrea
CAMPOS
Doctorante LPPM
01/05/1999 15/05/1999
M. Nikolai
VITANOV
Prof invité
01/05/2000 30/06/2000
Stagiaires (maîtrise, magistère, DEA, autres)
Arrivée
Départ
M.
Alain
LASSAGNE
BTS
12/01/1998 01/03/1998
M.
Remi
DELHUILLE
Maitrise
01/04/1998 01/06/1998
M.
Mickaël
BRUNO
Maitrise
01/04/1998 01/06/1998
Mlle Mai
DINH
DEA
01/02/1999 01/04/1999
M.
Xavier
FRANCERIES
Maitrise
01/05/1999 01/08/1999
M.
Etienne
GINDENSPERGER DEA
01/03/1999 01/07/1999
Mlle Isabelle
LLORET
Maitrise
01/05/1999 01/07/1999
M.
Michael
SKEGG
Bachelor
01/03/1999 01/06/1999
Mlle Caroline
SMITH
Bachelor
01/03/2000 20/05/2000
Mlle Julie
BARON
Maitrise
01/03/2000 01/07/2000
M.
Gerauld
LARRIBE
DEUST
01/05/2000 25/07/2000
Mlle Iben
BLOCH NIELSEN
Maitrise Erasmus
01/10/2000 30/06/2001
Mlle Sabine
STOCK
Diplomarbeit
15/11/2000 31/12/2001
M. Antoine
MONMAYRANT
Ec. Polytechnique
01/04/2001 01/07/2001
M
Nicolas
RIVIERE
Maîtrise
01/05/2001 30/06/2001
M. Jean-Christophe DELAGNES
Maîtrise
01/05/2001 30/06/2001
M. Henning
PULZ
Maîtrise Erasmus
15/11/2001 15/02/2002
65
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
5.2. Compte-rendu de l’activité scientifique "à 4 ans" (01/01/98 au 31/12/01)
5.2.1. Introduction
Les travaux menés dans l'équipe visent à étudier et contrôler la dynamique temporelle
aux temps ultracourts d'atomes et molécules en phase gazeuse. Deux approches sont
poursuivies en parallèle :
- Le contrôle cohérent consiste à mettre en oeuvre des processus d'interaction
impliquant des impulsions ou séquences d'impulsions de plus en plus complexes. Cette
approche est en général menée dans des systèmes simples, de structure connue, l'objectif
étant d'explorer les potentialités offertes par la complexité des impulsions. Elle nécessite
de forts développements instrumentaux au niveau des sources laser : génération de
profils temporels/spectraux (et éventuellement spatiaux) arbitraires et leur
caractérisation.
- L'étude de dynamiques variées dans des systèmes moléculaires complexes. Ici, on
cherche dans un premier temps à utiliser des impulsions de forme simple et on focalise
les efforts de développements instrumentaux sur l'extension des gammes spectrales et
temporelles de nos impulsions laser, la mise en œuvre de détecteurs de particules
chargées (spectromètre de photoélectrons – photoions). Les dynamiques étudiées
concernent les noyaux seuls ou les électrons et les noyaux de façon couplée (conversion
interne, couplage intersystème). Elles vont des simples mouvements monodimensionnels (vibration, (pré)dissociation), à des évolutions plus complexes
(isomérisation, réactions concertées).
- Progressivement, les méthodes de contrôle seront appliquées à des systèmes de plus en
plus complexes.
Ces différentes approches sont complémentaires, tant sur le plan conceptuel
qu'instrumental. Des développements instrumentaux effectués pour un projet sont réutilisés
pour un autre. Le spectromètre de photoélectrons – photoions peut autant servir aux études de
dynamique moléculaire qu'à mettre en évidence la précession de spin dans des atomes. Par
exemple, l'analyse de l'effet de la dérive de fréquence sur la dynamique pompe-sonde de
l'acétylène a initié une étude poussée des transitoires cohérents dans un système plus simple,
le rubidium.
Les principaux développements instrumentaux ont consisté, pour la chaîne laser, à la
construction d'un Amplificateur Paramétrique Optique non Colinéaire produisant des
impulsions de 25 fs, plus courtes que les impulsions initiales (100 fs), dans une bonne fraction
du spectre visible (500 – 700 nm). Un outil de caractérisation complète d'impulsion, a été
construit, suite au séjour effectué par B. de Beauvoir au LOA dans l'équipe de JP Chambaret.
Un spectromètre de photoions / photoélectrons basé sur la méthode d'imagerie de champ de
vitesses a été développé. Un second détecteur sera bientôt construit afin de permettre des
détections en coïncidence. L'ensemble de ces développements nous a permis de réaliser les
expériences décrites par la suite.
Les interférences de paquets d'onde permettent tout d'abord de fournir un moyen très
sensible de contrôler l'excitation du système. Celles-ci sont basées sur le même principe que
les franges de Ramsey. Par ailleurs, l'enveloppe de la figure d'interférences révèle la
dynamique du paquet d'onde excité. Après une première observation de ces interférences dans
le dimère de césium, nous nous sommes focalisés sur la dynamique de précession de spin
dans les doublets de structure fine des alcalins (potassium, césium). Différentes
configurations ont été étudiées. Transitions à un photon en régime perturbatif ou non,
transitions à deux photons, paquets d'onde produits par des impulsions à dérive de fréquence.
66
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
Enfin, les études ont été étendues aux états du continuum avec des interférences d'électrons
libres qui pourraient permettre de "modeler" des faisceaux d'électrons.
La même dynamique de précession de spin a ensuite été observée directement par la
méthode pompe-sonde. Le basculement de spin et de moment cinétique orbital qui
accompagne l'oscillation entre les états brillant et noir fait varier la probabilité d'ionisation et
permet ainsi de générer une variation du signal en fonction du délai pompe-sonde. Des
oscillations en opposition de phase sont obtenues pour des polarisations pompe et sonde
parallèles ou perpendiculaires. Cette étude a été étendue sur le plan théorique à une analyse de
la production possible d'impulsions ultracourtes d'électrons polarisés. Si des taux de
polarisation de 100% peuvent être envisagés, les courants ne sont cependant pas très élevés.
Enfin, l'étude théorique de la propagation d'impulsions d'électrons pré-étirées a permis de
montrer qu'il était possible de compenser la dispersion du vide et ainsi de focaliser les
impulsions d'électrons sur un détecteur situé à plusieurs centimètres du point d'émission.
L'utilisation de dérive de fréquence est la situation la plus simple de mise en forme
d'impulsions. En général, la dérivée seconde de la phase spectrale est le seul paramètre utilisé.
Celui-ci permet d'obtenir une dérive linéaire de la fréquence laser en fonction du temps. Des
transitoires cohérents ont été observés dans la transition à un photon (5s – 5p) du rubidium.
Ceux-ci résultent d'interférences entre l'excitation du système pendant et après la résonance.
Une étude théorique poussée a été menée. L'analogie avec la diffraction de Fresnel (et les
lentilles à zone de Fresnel) a permis de proposer une méthode de mise en forme de l'impulsion
permettant de supprimer les interférences destructives. Nous avons aussi étudié les transitions
à deux photons (3s – 5s et 4d) du sodium. Avec les états intermédiaires 3p1/2 et 3p3/2 proches
de la mi-distance, ce système permet de fournir un modèle d'échelle de niveaux. Les
transitions à deux photons peuvent être excitées soit par des chemins séquentiels, soit par
des chemins "directs" non-résonnants. En champ lumineux faible ou intermédiaire, des
interférences entre ces différents chemins d'excitation apparaissent. Celles-ci peuvent être
observées en faisant varier la dérive de fréquence des impulsions. Des applications à la
réalisation d'une étoile laser artificielle polychromatique sont en cours d'étude, en liaison
avec J.P. Pique.
Les études pompe-sonde moléculaires ont concerné tout d'abord le dimère de potassium
dans lequel ont été observés d'une part un doublement de période d'oscillation, le paquet
d'onde étant sondé au milieu du puits de potentiel, soit deux fois par période de vibration, et
d'autre part une alternance d'intensité due à une différence de probabilité d'ionisation des
paquets d'onde en fonction de leur sens de propagation (vers l'aile interne ou externe). Une
modélisation de la propagation de paquets d'onde effectuée en collaboration avec C. Meier a
permis de reproduire de manière remarquable les signaux expérimentaux.
L'utilisation de spectromètres de photoélectrons/photoions (résolution énergétique) en
combinaison avec la technique pompe-sonde (résolution temporelle) nous a amenés à nous
interroger sur la manière avec laquelle les limitations imposées par le principe d'incertitude
s'appliquent. Nous avons identifié des raisonnements erronés basés sur la version semiclassique du principe de Franck-Condon. Ces idées ont été testées (en collaboration avec C.
Meier et M. Vrakking) dans le cas modèle de la prédissociation de NaI. La figure
d'interférence entre les paquets d'onde partiels qui se succèdent sur la voie dissociative se
construit progressivement. Nous avons ensuite montré comment une ou plusieurs impulsions
de contrôle permettait de modifier la figure d'interférence. Ce protocole peut être utilisé pour
stocker de l'information quantique qui est ensuite relue par analyse de la figure
d'interférence.
Plusieurs études ont été menées sur la dynamique des états très excités de l'acétylène.
Les états situés autour de 9 eV correspondent à l'énergie de 6 photons infrarouges (800 nm).
Ces états ont des durées de vie prédissociative de l'ordre de la centaine de femtosecondes à
67
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
quelques picosecondes. Une étude par excitation à 3 photons UV (de 400 nm) suivie d'une
ionisation sonde à 1 photon UV, a été entreprise à Toulouse. Des difficultés instrumentales
rencontrées n'ont pas permis d'obtenir les résultats escomptés. Une autre expérience menée à
Lund (dans le groupe d'A. L'huillier, et en collaboration avec D. Gauyacq) consistait à exciter
directement ces états par un photon VUV obtenu par génération d'harmonique 3 (de 400 nm)
dans le Xénon. Des dynamiques de 100 à 400 fs ont pu être observées, dans C2H2 et C2D2.
D'importantes dérives de fréquence sont présentes, tant sur les impulsions pompe que sonde.
La conséquence directe pour cette expérience est de décaler les instants d'excitation de
plusieurs niveaux (non dégénérés) situés à l'intérieur de la bande spectrale du laser. L'analyse
de ces effets de dérive de fréquence a motivé les études de transitoires cohérents cités cidessus.
En collaboration avec l'équipe d'A. Stolow, V. Blanchet a poursuivi des études
entamées lors de son séjour post-doctoral sur la dynamique de molécules en champ intense.
La dynamique non-adiabatique d'un système d'électrons délocalisés a ainsi été observée,
mettant en évidence les effets collectifs. La comparaison entre une molécule cyclique et une
molécule linéaire comportant le même nombre d'électrons π délocalisés a révélé l'importance
du déplacement collectif des électrons le long de la chaîne carbonée.
La Dynamique de nanoplasmas a été étudiée d'un point de vue théorique par M.A.
Bouchene en collaboration avec le groupe d'E. Suraud. Ces nanoplasmas sont créés par une
impulsion laser intense focalisée sur un agrégat. La confrontation avec les résultats obtenus
par T. Ditmire a révélé des problèmes de convergence dans le code de celui-ci au voisinage de
la fréquence plasma. Les études se poursuivent et pourraient déboucher sur une collaboration
avec les études expérimentales menées dans le groupe de Marc Vrakking.
Les projets de recherches se poursuivent dans les directions déjà tracées. L'achat d'un
système de mise en forme d'impulsions va permettre de poursuivre les études de contrôle
cohérent avec une très grande flexibilité. Les atomes serviront là encore de systèmes modèles
dans lesquelles seront testées les nouvelles idées. La mise en route du spectromètre de
photoélectrons/photoions nous permet d'aborder les études de dynamique dans des molécules
complexes avec des diagnostics accrus. En collaboration avec le groupe "agrégats", nous
entamons une étude de dynamique dans les petits agrégats d'halogénures d'alcalins. Enfin,
inspirés par les travaux spectaculaires de transparence électromagnétique induite, nous
comptons étudier les effets de propagation d'impulsions ultracourtes au voisinage d'une
résonance et la manière dont on pourrait contrôler leur déformation.
5.2.2. Développements instrumentaux
5.2.2.1. Sources laser : NOPA (Oscillateur Paramétrique Non Colinéaire)
(BdB, JD)
Jusqu’en 1999, nous ne disposions à Toulouse que d’une source à 800 nm, 1 mJ, 1kHz,
110 fs ainsi que d’un amplificateur paramétrique optique proche Infra rouge. Or, dans de
nombreuses expériences de pompe-sonde, il est intéressant d’une part de pouvoir étendre la
gamme de longueur d’onde (en particulier dans le visible et le proche UV) et d’autre part de
disposer des impulsions les plus courtes possibles pour résoudre certaines dynamiques très
rapides comme, par exemple, les conversions internes dans les polyatomiques. En 1999, nous
avons construit un amplificateur paramétrique optique en géométrie non colinéaire, qui
présente l’avantage de pouvoir générer des impulsions plus courtes que l’impulsion initiale.
68
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
Le principe de l’OPA2 classique, est de faire interagir dans un cristal, un continuum de
lumière blanche et un faisceau pompe intense de façon à amplifier une partie du spectre du
continuum, générant ainsi un signal et son complémentaire3 (idler). On obtient ainsi une
source facilement accordable. Intuitivement, plus le χ (2) d’un milieu est élevé, plus la pompe
est intense, et plus le cristal est long, plus le processus est efficace pour un accord de phase
donné. Seul l’angle de double réfraction peut limiter l’efficacité du mélange de fréquence.
Dans le cas d’impulsions femtoseconde, il faut tenir compte de deux effets supplémentaires
qui sont d’autant plus importants que le milieu est dispersif et l’impulsion brève : le désaccord
de vitesse de groupe4 (GDM : group delay mismatch) et la dispersion de vitesse de groupe5
(GDD : group delay dispersion). Aussi plusieurs groupes ont travaillé sur la géométrie du
problème de façon à réduire les limites spatiales et temporelles6. Ils ont ainsi montré qu’en
introduisant un angle astucieusement choisi entre la pompe et le signal on peut obtenir à partir
d’impulsions d’une centaine de femtosecondes des impulsions potentiellement recompressibles jusqu’à quelques femtosecondes et facilement balayables en longueur d’onde sur tout le
spectre du visible7. Un tel dispositif à deux étages d’amplification a été développé permettant
d’obtenir des impulsions d’une vingtaine de femtosecondes, de l’ordre d’une dizaine de
microJoule, balayable de 500 à 700 nm, en partant d’impulsions de 110 fs, 400 µ J à 800 nm
(soit environ la moitié de l’énergie disponible en sortie d'amplificateur).
5.2.2.2. Mélanges de fréquences
(BdB, JD, E. Riedle et al)
Comme nous l’avons déjà mentionné au paragraphe précédent, l’étude de certaines
dynamiques, en particulier dans les molécules polyatomiques, requiert une extension de la
gamme spectrale vers l’UV. Pour ce faire, on peut tirer avantage de l’accordabilité du NOPA
dans le visible et le proche IR pour générer soit par doublage, soit par mélange de fréquences
avec la sortie de l’amplificateur régénératif ou sa seconde harmonique, des impulsions courtes
dans le proche UV (220-400 nm). De plus, il est intéressant de noter que grâce au mélange de
fréquences on a accès aux longueurs d’onde comprises entre 350 et 400 nm, ces dernières
étant difficiles à obtenir de manière efficace par doublage direct du NOPA. Des travaux de ce
type ont été menés par Jérôme Degert lors d’un séjour dans le groupe du professeur Riedle à
Munich. Par interaction dans un cristal non-linéaire d’une impulsion intense (150 µJ) à 800
nm et d’une impulsion issue du NOPA, il a généré des impulsions courtes (environ 20 fs) de
longueurs d’onde comprises entre 340 et 430 nm, avec une énergie de l’ordre de 3 à 4 µJ ( soit
une efficacité de conversion de l’énergie du NOPA allant de 40 à 80%).
2
3
Optical Parametric Amplifier.
il s’agit d’un processus réciproque de la somme de fréquence où
4
ω pompe = ω signal + ω idler .
Deux impulsions de longueurs d’onde différentes se propagent à des vitesses de groupe différentes ce qui limite
dans un cristal non linéaire les échanges d’énergie permis.
5
Les composantes spectrales de l’impulsion se propagent avec des vitesses différentes.
6
G. Cerullo, M. Nisoli et S. De Silvestri, Appl. Phys. Lett. 71, 3616 (1997). T. Wilhelm, J. Piel et E. Riedle,
Opt. Lett. 22, 1494 (1997). A. Shirakawa et T. Kobayashi, Appl. Phys. Lett. 72, 147 (1998).
7
Pour le cristal de BBO, Il existe un angle « magique » de 3°7 (interne), entre la pompe à 400 nm, et le signal.
Pour cet angle, on constate que l’angle d’accord de phase est le même pour une large gamme de longueur d’onde
allant de 500 à 700 nm. Ceci permet potentiellement d’amplifier un spectre très large, qui est associé à des
impulsions facilement recompressibles.
69
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
5.2.2.3. Outils de caractérisation : SPIDER
(BdB, JD, AM, collaboration LOA : J.P. Chambaret, C. Dorrer, F. Salin)
Depuis l’avènement des lasers femtoseconde dans les années 80, de nombreuses
controverses successives, concernant la mesure de ces impulsions trop courtes pour les
détecteurs classiques, ont agité la communauté. La méthode de corrélation temporelle est
connue depuis longtemps, mais elle est incomplète puisqu’elle ne caractérise pas le champ E
mais une fonction de ce champ, pour laquelle il n’existe ni algorithme, ni unicité d’inversion.
Si l’amplitude du champ peut être aisément déterminée comme la racine du spectre, obtenu
expérimentalement à l’aide d’un spectromètre, la mesure de la phase, elle, représente la
principale difficulté. Deux sortes de mesures sont possibles : des mesures comparant
l’impulsion à une impulsion de référence et des mesures autoréférencées. Les premières
nécessitent une impulsion de référence et ramènent donc à la question : comment mesurer
l’impulsion de référence? Les secondes se basent principalement sur trois techniques :
tomographiques (peu développées), spectrographiques et interférométriques. Les mesures
spectrographiques dont la plus connue est le FROG (Frequency Resolved Optical Gating)
permettent de mesurer le spectre des différentes composantes temporelles du signal. Leur
principal inconvénient est qu’elles font appel à des techniques lourdes d'inversion et à des
algorithmes itératifs pas toujours fiables. Une nouvelle technique dite interférométrique a été
récemment proposée. Cette technique, baptisée SPIDER (Spectral Phase Interferometry for
direct Electric-field Reconstruction)8 est une transposition de l’interférométrie à décalage,
utilisée dans le domaine spatial (en astronomie), au domaine optique. Elle est basée sur une
mesure de la phase spectrale par une méthode d’interférométrie spectrale et une mesure
indépendante de l’amplitude spectrale par un spectromètre. Grâce à une interaction nonlinéaire (somme de fréquence), on peut mesurer la différence de phase spectrale entre deux
points différents du spectre optique (cf figure). Par concaténation sur l’ensemble du spectre,
on remonte ainsi à la phase du champ. Cette mesure est directe et par là plus efficace que le
FROG.
On mélange dans un cristal deux répliques
de l’impulsion à mesurer, séparées d’un
délai τ , avec une impulsion chirpée , telle
que chaque réplique ne voit de cette
impulsion
qu’une
fréquence
quasimonochromatique. Sur le spectromètre, les
deux répliques somme interfèrent et on
obtient un spectre cannelé dont la période
dépend du délai τ . En ne considérant que le
terme interférométrique de ce spectre, on
remonte par de simples opérations
algébriques, à la différence de phase entre la
fréquence
ω
et la fréquence
ω + τ ϕ (2)
où ϕ est la dérive de fréquence de
l’impulsion étirée.
(2)
Lors de son séjour au LOA, en collaboration avec J.P. Chambaret et C. Dorrer, Béatrice
de Beauvoir a donc construit un SPIDER pour caractériser des impulsions centrées à 800 nm.
Ils ont pu grâce à cet instrument optimiser les compresseurs des deux chaînes lasers
principales du LOA [5], à savoir celle à 10 Hz et celle à 1 kHz. Le SPIDER est suffisamment
8
C. Iaconis et I. A. Walmsley, Opt. Lett. 23, 792 (1998).
70
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
sensible pour mesurer en temps réel des résidus de phase d’ordre supérieur introduits par les
éléments de la chaîne d’amplification. Ceux-ci modifient l’impulsion en créant des pré et post
impulsions qui peuvent être rédhibitoires pour certaines expériences. Il est donc indispensable
de chercher à les faire disparaître, par un réglage fin du compresseur, en s’appuyant sur la
mesure SPIDER. D’autre part, une étude systématique a permis de mettre en évidence
l’extrême sensibilité de la phase à la présence de turbulences thermiques au niveau du plan de
Fourier dans le compresseur [9].
Ce savoir-faire SPIDER a aussi été mis à profit à Toulouse où un tel instrument a été
développé non plus seulement pour la mesure d’impulsions à 800 nm comme c’était le cas au
LOA, mais de façon à pouvoir déterminer l’amplitude et la phase des impulsions obtenues en
sortie de l’amplificateur paramétrique optique non colinéaire (cf § 2.2.1) dont la longueur
d’onde varie de 500 à 700 nm.
5.2.2.4. Spectromètre de photoélectrons – photoions
(VB, SZ, ES)
Une des activités de recherche du groupe est actuellement centrée sur l’étude des
dynamiques ultrarapides régissant des molécules polyatomiques isolées photoexcitées. Ces
dynamiques peuvent être étudiées non seulement par détection intégrante telle que celle des
ions, mais aussi plus spécifiquement par spectroscopie de photoélectrons résolue en temps, et
par coïncidence photoélectron-ion. Pour ce faire, nous avons construit un spectromètre de
photoélectrons basés sur la technique d'imagerie de particules chargées (technique développée
par D. Parker à Nimègue9). Ceci s’est effectué en interaction avec C. Bordas (LASIM, Lyon)
et M. Vrakking (FOM Amsterdam, programme Van Gogh) qui viennent de développer un
instrument analogue, ainsi que D. Zajfman (Weizmann Institute, Israël).
Ce système permet de détecter soit des électrons, soit des fragments légers ionisés en
fonction de leurs énergies cinétiques, mais aussi de leurs angles d’émission par rapport à l’axe
de quantification. Des lentilles électrostatiques
convenablement disposées projettent le vecteur
NO
2.84+/-0.07 eV
vitesse de la particule chargée sur un détecteur
bidimensionnel sensible en position. Par une
méthode d'inversion10, on peut reconstituer le
module et la direction de ce vecteur vitesse. Ainsi
16 meV
la distribution angulaire et l’énergie cinétique des
particules sont accessibles.
Un second spectromètre à temps de vol
monté en coïncidence avec l’imageur est déjà
conçu. Il permettra de corréler les électrons
Pixels
détectés avec un ion particulier, parent ou
fragment. La réalisation de ce montage de
coïncidence est prévue pour 2003.
0,5000
@ 400 nm + 150 fs
200
2,400
150
Pixels
4,300
100
6,200
50
8,100
10,00
50
9
100
150
200
A. T. J. B. Eppink and D. H. Parker, Rev. Sci. Instr. 68, 3477 (1997).
Variante de la transformation d'Abel (M. J. J. Vrakking, Rev. Sci. Instr. 72, 4084 (2001))
10
71
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
5.2.3. Précession de spin et dynamique de photoélectrons
5.2.3.1. Précession de spin dans des états liés atomiques
(SZ, MAB, ES, CN, VB, BG)
Les études pompe-sonde sont principalement conditionnées par la transition sonde. Par
exemple, dans une expérience pompe-sonde de photoionisation, il est nécessaire que la
probabilité d’ionisation varie en fonction du délai entre les deux impulsions. Cette condition
est facilement satisfaite dans les études de dynamiques sur les états de Rydberg11, avec une
probabilité d’ionisation plus importante lorsque l’électron se retrouve près du cœur ionique ou
encore dans les oscillations vibrationnelles d’une molécule diatomique avec une probabilité
d’ionisation plus importante pour la distance internucléaire correspondant au principe de
Franck-Condon (voir partie 2-5-1). Par contre pour un paquet d’ondes de structure fine d’un
doublet atomique, le schéma d’excitation pompe-sonde n’apparaît pas de prime abord sensible
à la dynamique de battements entre les niveaux de structure fine.
M L = 0, M S = 1 2
r
L=1
M L = 1, MS = − 1 2
r
r
r
J
S
L
S
r
Précession des moments cinétiques orbital et de
spin. (a) état brillant (L, ML ; S, MS) = (1,0 ;
1/2,1/2) et (b) état noir (L, ML ; S, MS) = (1,1 ;
1/2,-1/2)
J
r
Dans une expérience réalisée sur le
doublet 4p du potassium nous avons
directement mis en évidence la précession de spin via un simple schéma pompe-sonde, et
surtout illustré la simplicité du formalisme « états brillant-noir » appliqué aux expériences
résolues en temps. Le paquet d’onde créé par l’impulsion pompe peut s’écrire comme la
superposition cohérente des états stationnaires 3/2,1/2 et 1/2, 1/2 dans la base couplée
L
J , M J .12 Mais il correspond aussi dans la base non-couplée L, M L ; S , M S , à l’état
brillant 1,0;1/2,1/2 . Ainsi à l’instant t = 0 , la pompe crée un paquet d’onde de moment
orbital 1 perpendiculaire à l’axe de quantification.
Ce paquet d’onde évolue librement sous le seul
effet du couplage spin-orbite pour passer dans
l'état 1,1;1/2,-1/2 , de spin opposé, orthogonal à
1,6
1,4
1,2
1,0
0,6
0,4
Pompe
//
Pompe
⊥
0,2
0,0
1,6
+
K (unité arb.)
0,8
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
-1
0
1
2
Délai (ps)
11
12
3
4
5
l’état brillant. Le moment orbital est alors
parallèle à l’axe de quantification. Cet état puisque
non-accessible par transition optique (pour la
polarisation laser linéaire et parallèle à Oz) depuis
l’état fondamental ( ∆M L = 0 , ∆M S = 0 ) est
appelé état noir. Le paquet d’onde oscille donc
entre l’état brillant et l’état noir. Le formalisme
« état brillant-noir » nous donne alors l’image
r
« classique » de la précession du spin ( S ) et du
r
moment angulaire orbital ( L ) autour du moment
r
angulaire total ( J ).
B. Broers et al , Phys. Rev. Lett. 71, 344 (1993)
la période de battements quantiques est de 580 fs (différence d’énergie du doublet = 57.7 cm-1)
72
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
Pour observer cette précession, les probabilités d’ionisation des états brillant et noir
doivent tout simplement être différentes [11]. En effet pour des probabilités identiques, le
taux d’ionisation reste le même quel que soit l’état du paquet d’ondes. Le signal d’ions est
alors indépendant du décalage temporel. Par contre dans le cas idéal d’une ionisation prenant
place uniquement depuis l’état noir, le paquet d’onde est ionisé lorsqu’il se retrouve dans cet
état, soit pour τ = (n + 1/ 2) * 580 fs.
En jouant sur la polarisation de l’impulsion sonde, il est aussi possible de changer le
taux d’ionisation de l’état brillant et noir et donc de trouver des configurations pompe-sonde
plus favorables à la détection de l'état noir par exemple [10].
5.2.3.2. Interférences de paquets d'onde en régime linéaire et non-linéaire
Cette dynamique de précession de spin a aussi été observée par la technique
d'interférences de paquets d'onde (appelée aussi contrôle cohérent temporel). Un premier
paquet d'onde est créé dans les états excités. Celui-ci oscille entre les états brillant et noir. Un
second paquet d'onde est ensuite créé dans les mêmes états, à partir de la partie de la fonction
d'onde restée dans l'état fondamental. Celui-ci interfère avec le premier paquet d'onde lorsque
leur recouvrement est maximal. On peut ainsi observer chaque retour dans l'état initial (l'état
brillant) [2,3,13].
L'utilisation d'une impulsion présentant une dérive de fréquence a permis de montrer
comment il est possible de déformer ces interférences de paquet d'onde, de manière
différenciée suivant la longueur d'onde du laser [4].
5.2.3.2.1. Saturation d'interférences de paquets d'onde
(CN, SZ, MAB, BG, N. Melikechi)
Les interférences de paquet d'onde sont analogues aux franges de Ramsey. Afin de
pouvoir créer deux paquets d'onde successifs dans les mêmes états excités, il est nécessaire de
ne pas dépeupler l'état initial avec la première impulsion. Lorsqu'au contraire la première
impulsion "π" crée un transfert total, la seconde ne peut plus créer de second paquet d'onde.
Elle peut par contre désexciter le paquet d'onde initial, mais cela uniquement lorsque celui-ci
se trouve dans l'état brillant. La probabilité d'ionisation de l'atome par la seconde impulsion se
trouve alors à nouveau osciller en fonction du mouvement du paquet d'onde entre les états
brillant et noir. Tandis que dans les interférences de paquets d'onde, la dynamique est révélée
par l'enveloppe des figures d'interférences, ici seule l'oscillation lente subsiste, de façon tout à
fait analogue à ce qui est observé par la méthode pompe-sonde [7].
Lorsque l'intensité lumineuse augmente au-delà de l'impulsion "π", le déplacement de
niveaux induit par la haute intensité (effet Stark dynamique) est tellement important qu'il
perturbe l'oscillation du paquet d'onde. Nous avons ainsi montré théoriquement qu'il est
possible de bloquer cette oscillation [18] et une observation expérimentale est envisagée (cf
§ 2.9.2.3).
5.2.3.2.2. Interférences de paquets d'onde dans des transitions multiphotoniques
(VB, CN, MAB, BG, L. Wöste et al)
Les interférences de paquets d'onde se produisent à la fréquence de la transition laser.
Dans les transitions à un photon, celle-ci est très proche de la fréquence optique. Les
interférences optiques et quantiques ont donc la même apparence, ce qui peut entraîner des
confusions d'interprétation, et ce d'autant plus que l'interaction se plaçant en régime linéaire,
le spectre cannelé des impulsions permet aussi d'expliquer la totalité des observations.
73
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
Dans des transitions multiphotoniques, les interférences quantiques et optiques sont
alors clairement discernables, les premières présentant une fréquence harmonique des
secondes. Par ailleurs, le spectre cannelé des impulsions ne permet plus d'interpréter les
interférences quantiques observées [8].
5.2.3.3. Génération d'électrons polarisés
(MAB, SZ, BG)
Le mouvement de précession de spin observé dans la structure fine des alcalins peut être
exploité pour créer des électrons libres de spin polarisé. Toutefois, dans la configuration
étudiée jusque-là, les atomes de spin initial up et down ont des comportements tout à fait
symétriques. En utilisant une impulsion pompe polarisée circulairement, il est par contre
possible de créer, à partir de l'état up un état stationnaire, et à partir de l'état down un état
oscillant vers un état noir de spin up. En choisissant d'ioniser le système lorsqu'il se trouve
dans l'état noir, on peut ainsi obtenir des taux de polarisations de 100%. Nous avons aussi
étudié la distribution angulaire de ces photoélectrons et la variation angulaire du taux de
polarisation [12].
La vérification expérimentale de cette étude théorique se heurte pour l'instant à la
lourdeur de mise en œuvre des détecteurs de Mott permettant de mesurer la polarisation des
électrons. Il pourrait être intéressant de transposer ce principe à des excitons dans des puits
quantiques. Les électrons polarisés pourraient alors être produits avec des flux importants, et
interagir directement avec une couche mince magnétique (déposée sur le même substrat que
les puits quantiques) et ainsi fournir une sonde in situ résolue en temps.
5.2.3.4. Dynamique de Photoélectrons
5.2.3.4.1. Interférence de paquets d'onde d'électrons libres
(SZ, MAB, BG, G. Gerber et al)
Le principe des interférences de paquets d'onde observées dans des états liés peut se
transposer à des états du continuum. La différence principale tient au fait que l'évolution du
paquet d'onde n'est plus périodique. On ne peut donc pas utiliser son retour vers l'état brillant
pour exciter le second paquet d'onde et produire ainsi les interférences. Par contre, on peut
utiliser l'étalement naturel du paquet d'onde lors de son évolution. Si on attend suffisamment
longtemps, les deux paquets d'onde s'étaleront d'une quantité bien supérieure à leur
séparation. Ils se recouvriront donc et interféreront. Ces interférences pourront alors être
observées en mesurant en fonction du temps l'arrivée du paquet d'onde sur un détecteur.
Nous avons mis en œuvre ce principe en utilisant le continuum de photoionisation d'un
atome. L'atome de potassium est initialement préparé dans l'état 5p, puis photoionisé par une
séquence de deux impulsions de 800 nm. Le paquet d'onde est détecté dans un spectromètre à
temps de vol, qui mesure donc l'arrivée du paquet d'onde en fonction du temps, ou de façon
équivalente, en fonction de l'énergie. Ces expériences ont été effectuées à Würzburg (groupe
de G. Gerber) qui disposait du matériel adéquat. Les interférences ont été observées sur les
électrons de seuil correspondant donc à une transition à un photon, et sur le premier pic ATI
(Ionisation au-dessus du seuil) résultant d'une absorption de deux photons. Les contraintes de
résolution du spectromètre de photoélectrons et de durée d'impulsions trop longues (100 fs)
ont fait que ces interférences quantiques n'ont pu être observées que dans un régime à la limite
des interférences optiques13. Ces expériences sont actuellement reprises à Kassel, dans le
groupe de T. Baumert, dans des conditions plus favorables (impulsions de 30 fs).
13
C'est à dire quand les deux impulsions lumineuses se recouvrent temporellement
74
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
5.2.3.4.2. Compression de paquets d'onde d'électrons libres
(JCD, MAB)
Inspirés par les études d'interférences de paquets d'onde d'électrons libres, par la
possibilité de créer des paquets ultracourts d'électrons polarisés (cf 2.3.3), et enfin par les
récentes études de diffraction électronique résolue en temps menées par Zewail14, nous avons
voulu étudier la possibilité de compenser l'étalement du paquet d'onde, afin de conserver une
bonne résolution temporelle. Par une étude théorique, nous avons montré qu'une simple dérive
de fréquence linéaire permettait de compenser cet étalement, et ce même pour des temps
d'évolution de l'ordre de la microseconde, en restant dans un domaine réaliste de valeurs du
paramètre important qu'est la dérive de fréquence [15].
5.2.4. Transitoires cohérents et excitation d'échelles de niveaux (Expériences avec des
lasers à dérive de fréquences)
Les impulsions à dérive de fréquence constituent un outil privilégié permettant de faire
varier les caractéristiques temporelles d'une impulsion laser. En régime de saturation, elles
permettent par exemple de remplacer les oscillations de Rabi pour lesquelles il est difficile de
laisser l'atome exactement dans l'état excité par un transfert adiabatique total de population.
En dessous de la saturation, de nombreux phénomènes peuvent être observés, affectant
significativement la probabilité d'excitation du système15. Dans les transitions à un photon, la
population atteinte à la fin de l'impulsion est indépendante de la forme de celle-ci. Par contre
le régime transitoire peut être fortement modifié. Nous avons mis en évidence les transitoires
cohérents, bien connus en RMN, mais jamais observés à notre échelle de temps (cf §2.4.1).
Dans les transitions multiphotoniques, au contraire, l'état final peut être fortement affecté par
la forme de l'impulsion. Nous avons montré comment apparaissent des interférences
quantiques entre excitation séquentielle et excitation à deux photons directe. Ce processus a
été mis en évidence dans l'atome de sodium. Le but de cette expérience est d'une part l'étude
de ces interférences, d'autre part la définition d'un schéma optimal de transfert de population
applicable aux expériences de l'étoile artificielle polychromatique.
5.2.4.1. Observation de transitoires cohérents dans le rubidium
(SZ, JD, SS, BdB, VB, MAB, BG)
L'excitation de la transition à un photon (5s-5p1/2) du rubidium nous a permis de mettre
en évidence d'une part l'augmentation brutale de population de l'état excité au moment du
passage par la résonance, et d'autre part des oscillations se produisant après le passage par
cette résonance. Ces oscillations résultent d'une interférence entre la
population portée dans l'état excité après la résonance
(nulle en moyenne, ou à la fin de l'impulsion, mais non
nulle à un instant donné) et celle excitée pendant le
passage par la résonance. En termes classiques, le dipôle
atomique excité continue à osciller à sa fréquence propre
qui bat avec la fréquence du laser qui dérive progressivement, ce qui explique l'augmentation de la fréquence
de cette oscillation. Par contre, l'excitation avant la
résonance ne produit aucune oscillation car elle s'ajoute à
une
population initiale nulle. Ce comportement s'explique très
simplement en traçant dans le plan complexe l'amplitude de population. Une spirale de Cornu
apparaît alors.
2,6
2,4
2,2
6p-5s Fluorescence (a.u.)
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
-2
0
2
4
6
8
10
Delay (ps)
14
15
J. C. Williamson, C. Jianming, I. Hyotcherl, H. Frey, and A. H. Zewail, Nature 386, 159 (1997).
N. V. Vitanov, Phys. Rev. A 59, 988 (1999).
75
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
Différents régimes ont été étudiés, tant expérimentalement que théoriquement [19]:
- La variation de l'écart à résonance permet de modifier le poids relatif des chemins
d'excitation avant et après la résonance et ainsi de modifier l'amplitude des oscillations.
D'autre part, le moment du passage par la résonance se décale alors, ce qui peut avoir des
conséquences importantes pour la détermination du "zéro" dans les expériences pompesonde, et ce surtout lorsque plusieurs états excités sont accessibles (cf §2.7.1 sur
l'acétylène).
- Les effets de saturation nous ont permis d'étudier la transition progressive vers le régime
de transfert adiabatique. Les oscillations s'amortissent et deviennent asymétriques par
rapport à la valeur asymptotique. La prise en compte des effets spatiaux est alors
nécessaire pour ajuster les résultats théoriques et expérimentaux.
- Nous avons enfin démontré théoriquement que les transitoires cohérents ne dépendent
que de la dérive totale de fréquence des deux impulsions pompe et sonde. Dans le cas où
seule l'impulsion sonde présente une dérive de fréquence, l'impulsion pompe (ultracourte)
définit alors le moment où commence l'interaction avec l'impulsion sonde.
Ce travail peut être prolongé dans plusieurs directions :
- Dans le cas de transitions successives (système en échelon, cf §2.4.2), on peut exploiter
ces transitoires cohérents pour déterminer l'instant optimal pour effectuer la transition
suivante.
- Ces transitoires cohérents peuvent être mis à profit pour mesurer la dérive de fréquence
d'une impulsion inconnue, située dans une gamme spectrale (UV-VUV par exemple) dans
laquelle les méthodes traditionnelles (FROG, SPIDER) sont inopérantes.
- Par analogie avec la diffraction de Fresnel, on peut réaliser l'équivalent de lentilles à
zone de Fresnel, en découpant l'impulsion temporelle de manière à supprimer les zones
produisant des interférences destructives. On peut même envisager de changer la phase du
champ électrique de manière à convertir des interférences destructives en constructives.
5.2.4.2. Interférences quantiques dans l'excitation à deux photons du sodium –
Applications à l'étoile laser artificielle
(SS, JD, BdB, BG, JP Pique)
A la différence des expériences précédentes effectuées sur une transition à un photon où
l’état final est indépendant de la phase du champ, ici nous avons étudié l’effet d’une dérive de
4d
λ0 = 583 nm
∆λ = 21 nm
4p
3p
3s
4p-3s fluorescence
3
I=200 µJ/cm
2
2
1
3s, hν
0
-10000
0
10000
20000
φ" en fs
2
3P1 / 2
3P 3 / 2
4 D, −hν
hν
76
30000
40000
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
fréquence sur une transition à deux-photons dans une échelle de niveaux quasi harmonique
dans l'atome de sodium. L’utilisation d’impulsions délivrées par le NOPA avec un spectre
large d'environ 30 nm permet d’exciter à la fois le chemin séquentiel (3s-3p-4d) et le chemin
direct non-résonnant. Chacun de ces chemins ayant acquis durant l’interaction une phase
différente dépendante de la phase du champ laser, on observe des interférences entre ces
chemins quantiques. En pratique en faisant varier la dérive de fréquence et en observant la
fluorescence 4p-3s simplement proportionnelle à la population de l’état excité 4d, on observe
des oscillations (cf figure). La double période provient simplement de la structure fine de
l’état intermédiaire et est parfaitement reproduite par nos simulations numériques utilisant une
résolution de l’équation de Schrödinger par la méthode de Runge-Kutta. Une étude
expérimentale en longueur d’onde a fait apparaître des oscillations pour une dérive de
fréquence négative due à l’excitation dans le même temps de l’état 5s qui se désexcite aussi
vers l’état 4p. Cette étude a de plus montré des décalages importants de la position du passage
par le chirp nul suivant l'état final (4d ou 5s). Nous attribuons ce décalage aux ordres
supérieurs de la dispersion (essentiellement du φ ′′′ ) et des simulations plus poussées tenant
compte de ces effets sont en cours. Cette expérience a mis en évidence la nécessité de choisir
astucieusement la phase spectrale du champ laser d’excitation si on veut maximiser le
transfert de population. Des résultats dans la même direction ont été obtenus dans les équipes
de Silberberg16 et Noordam17.
Dans notre cas, ce travail n’est que le premier pas vers une étude plus poussée d’un
transfert total de population par passage adiabatique vers l’état 4d ou plus simplement
l’optimisation du signal de fluorescence 4p-3s. En effet, l’énergie et la largeur de bande que
permettent les lasers femtosecondes autorisent à envisager leur utilisation dans les
expériences sur l’étoile polychromatique artificielle. Ce projet initié par Foy et al18 consiste à
exciter l'état 4d du sodium mésosphérique pour créer une étoile polychromatique (cascade
radiative de l’infra-rouge à l’ultraviolet) artificielle. La collection de cette fluorescence par un
télescope permet de corriger en temps réel à l’aide d’un dispositif d’optique adaptative les
déformations du front d’onde induites par les turbulences atmosphériques. Avec de telles
techniques, les astronomes pourront observer l’ensemble du ciel. Actuellement l’utilisation
d'étoiles naturelles ne permet de couvrir qu'une très faible fraction du ciel. Même si ce projet
met pour le moment en œuvre des lasers nanoseconde ou continus, il est intéressant de
démontrer en laboratoire les avantages des lasers femto/picoseconde.
5.2.5. Dynamique dans les molécules diatomiques
5.2.5.1. Observation du sens de déplacement du paquet d'onde (dans K2)
(CN, MAB, BG, C.Meier, E. Schreiber, S. Magnier)
Une série d'expériences pompe-sonde a été réalisée dans le dimère de potassium, avec
deux impulsions identiques, de longueurs d'onde variable entre 790 et 850 nm. Trois photons
sont nécessaires pour atteindre l'ion moléculaire. Après analyse des différents états excitables,
il s'est avéré que l'on pouvait tout aussi bien créer un paquet d'onde dans l'état A 1 Σu+ par
absorption d'un photon, sondé par ionisation à deux photons, que créer un paquet d'onde dans
l'état de Rydberg 2 1Πg, par absorption de deux photons, sondé par ionisation à un photon.
16
D. Meshulach et Y. Silberberg, Nature 396, 239 (1998). N. Dudovich, B. Dayan, S. H. G. Faeder et Y.
Silberberg, Phys. Rev. Lett. 86, 47 (2001).
17
B. Broers, H. B. van Linden van den Heuvell et L. D. Noordam, Phys. Rev. Lett. 69, 2062 (1992). D. J. Maas,
C. W. Rella, P. Antoine, E. S. Toma et L. D. Noordam, Phys. Rev. A 59, 1374 (1999)
18
R. Foy, A. Migus, F. Biraben, G. Grynberg, P. R. McCullough et M. Tallon, Astron. & Astroph. Suppl.
Series 111, 569 (1995).
77
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
L'analyse théorique a été menée en collaboration avec C. Meier et S. Magnier. Le poids relatif
de ces deux chemins varie avec la longueur d'onde. Le point d'ionisation du paquet d'onde
oscillant dans l'état A est déterminé par une quasi-résonance avec l'état de Rydberg 2 1Πg dans
l'ionisation à (1+1) photons. Celui-ci se déplace continûment de l'aile externe vers l'aile
interne lorsque la longueur d'onde diminue. Ainsi, dans toute la gamme spectrale
intermédiaire, on observe un dédoublement des pics d'ionisation : le paquet d'onde peut être
ionisé deux fois par période, une fois sur le trajet aller et une fois sur le trajet retour.
De plus, les pics allers sont plus intenses que les pics retours, ce qui résulte d'une part de
la durée finie des impulsions, laissant le temps au paquet d'onde d'évoluer dans l'état de
Rydberg pendant l'impulsion sonde, et d'autre part d'une augmentation de la probabilité
d'ionisation de l'état de Rydberg lorsque la distance internucléaire augmente19. Cette
constatation est corroborée par l'observation d'un signal pompe-sonde dans l'état de Rydberg
avec maximum d'ionisation sur l'aile externe [6].
5.2.5.2. Interférences de paquets d'onde dans Cs2
(VB, MAB, BG)
La toute première expérience réalisée dans le groupe a porté sur l'observation
d'interférences de paquets d'onde (contrôle cohérent temporel) dans le dimère de césium.
Comme dans le cas de la précession de spin, ces interférences révèlent la dynamique du
paquet d'onde excité qui apparaît sur l'enveloppe de la figure d'interférences. Ici, un paquet
d'onde vibrationnel oscille. Par contre, les interférences disparaissent assez rapidement en
raison du brouillage résultant de la moyenne sur différents états initiaux de vibration et de
rotation. Il s'agit ici d'un effet inhomogène, bien différent des effets d'étalement de paquet
d'onde liés à l'anharmonicité du potentiel [1].
5.2.6 Manipulation d'interférences de paquets d'onde nucléaire – Information quantique
5.2.6.1. Interférences de paquets d'onde nucléaire dans la prédissociation d'une
molécule diatomique
(JD, BG, C. Meier, M. Vrakking)
Le développement d’instruments de plus en plus perfectionnés permettant maintenant
de combiner une analyse temporelle (méthode pompe-sonde) et énergétique (spectroscopie de
photoélectrons, de photofragments) nous a poussés à nous interroger sur les limites
fondamentales imposées par la transformée de Fourier. Elle a débouché sur un premier travail
théorique illustré dans un système modèle, la prédissociation de NaI. En 1988, Zewail réalise
la première expérience à proprement dite de femtochimie en observant des paquets d’onde
obtenus par prédissociation de NaI. Par une première impulsion, il crée un paquet d’onde dans
l'état excité. Celui-ci évolue en oscillant dans le puits de potentiel de cet état et se fragmente à
chaque passage au point de croisement avec l'état fondamental. Il y a alors apparition d’un
"sous-paquet" d’onde sur la partie asymptotique du potentiel. En sondant cette partie
asymptotique sur la transition Na(3s-3p), et en regardant l’évolution du signal de fluorescence
Na(3p-3s), il observe des marches d’escalier en fonction du délai pompe-sonde. La durée des
marches correspond à une période de vibration de la molécule,20 environ 1.2 ps.
19
Un tel phénomène a déjà été observé dans NaI (G. Grégoire et al, Eur. Phys. J. D 1, 187 (1998).), ce qui est
moins surprenant compte-tu de la transition ionique –covalent présente dans cette molécule hétéronucléaire.
20
T. S. Rose, M. J. Rosker et A. H. Zewail, J. Chem. Phys. 88, 6672 (1988).
78
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
Dans le cadre de leur simulation théorique du processus, Engel et Meier21 analysent la
distribution cinétique des fragments après avoir bloqué artificiellement la partie non dissociée
au bout d’un temps d’évolution fini. Ainsi du fait de la cohérence des sous-paquets d’onde
créés, ils observent la construction d’une figure d’interférences au fur et à mesure de leur
arrivée. Toutefois, cette prédiction reste inaccessible expérimentalement.
Pour définir un protocole expérimental, il fallait pouvoir observer de visu ces
interférences. Nous avons donc repris ces calculs en y rajoutant une étape de sonde qui permet
d’atteindre le continuum d’ionisation dissociative. Ainsi en regardant la distribution
énergétique des ions, on observe des figures d’interférences homothétiques des interférences
des sous-paquets eux-mêmes. En simulant complètement l’expérience, nous avons retrouvé
exactement les résultats obtenus en ne considérant que la fonction d’onde asymptotique [14].
5.2.6.2. Manipulation d'interférences de paquets d'onde et information quantique
(JD, BdB, BG, C. Meier)
Nous avons ensuite réalisé que certaines techniques de contrôle cohérent pouvaient
permettre de modifier sélectivement la fonction d’onde des sous-paquets. Cette manipulation
permet de modifier la figure d'interférence finale et donc la distribution énergétique des
fragments. Il est par ailleurs potentiellement possible de stocker une information quantique
qui « s’imprimerait » sur la figure d’interférences.
Au cours de la dissociation par fragments, une partie du paquet d’onde continue à
osciller dans le puits (partie interne) alors que plusieurs paquets d'onde de fragments évoluent
déjà dans la partie asymptotique. Il est possible de définir une impulsion de « codage »
interagissant sélectivement avec la partie asymptotique22, sans affecter la partie interne. On
peut ainsi créer des états intriqués entre la partie électronique et la partie nucléaire. L’exemple
le plus simple consiste à effectuer un cycle de Rabi complet ( 2π ), entre deux états
électroniques du fragment sodium (3s-3p). Le signe de la partie asymptotique est alors
simplement changé. De plus en choisissant le moment où on effectue cette oscillation, on peut
adresser chaque sous-paquet d’onde indépendamment.
Cette opération peut être appliquée (bit 1) ou non (bit 0) après l'arrivée de chaque
nouveau sous-paquet. Les premiers sous-paquets cumulent les effets des impulsions de
contrôle, ce qui peut facilement être pris en compte. L’impulsion sonde imprime la figure
d’interférences, par une transition vers le continuum de l’ion. En effectuant une transformée
de Fourier en cosinus de la figure, on remonte au signe des paquets. On peut donc relire
l’information écrite23. La possibilité de créer des q-bits avec des impulsions π 2 ou d'un
angle quelconque sera étudiée.
Une telle expérience a des limites expérimentales, par exemple la précision du cycle de
Rabi ou l’observation des interférences qui nécessite une bonne résolution. Cependant, elle
reste très prometteuse dans le foisonnement d’idées sur le traitement quantique de
l’information. Enfin, une bonne compréhension de telles expériences dans une molécule de
référence comme NaI, permettra peut-être ensuite une transposition vers des systèmes
condensés, plus susceptibles d'applications.
21
C. Meier, V. Engel et J. S. Briggs, J. Chem. Phys. 95, 7337 (1991).
Il suffit de choisir une résonance atomique qui ne coïncide pas avec une transition moléculaire
23
Dans la pratique, il faut laisser sortir un paquet d’onde supplémentaire qui sert de référence de phase après la
dernière impulsion de contrôle.
22
79
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
5.2.7. Dynamique dans des molécules polyatomiques
Signal de photoélectrons (unité arb.)
5.2.7.1.Dynamique des états très excités de l'acétylène
(SZ, VB, BG, JD, MAB, D. Gauyacq et al, A. L'Huillier et al)
La molécule d’acétylène joue un rôle primordial dans la compréhension de mécanismes
physico-chimiques qui régissent le milieu interstellaire. En particulier, la photofragmentation
de l'acétylène est une source importante de radicaux carbonés.
L’objectif de ce projet est l’étude des mécanismes de fragmentation dans la région
spectrale entre 8.15 et 13.6 eV, région dans laquelle la section efficace d’absorption augmente
d’au moins 2 ordres de grandeur. La contribution des états de Rydberg à ces processus de
fragmentation est dominante. L’évolution libre du système mène principalement à la
dissociation vers H + C2H (X2Σ+ ou A2Π). Le mécanisme de cette dissociation (rôles
respectifs de l'isomérisation préalable en vinylidène et de la dissociation directe) reste encore
à élucider.
Toutes les expériences pompe-sonde que nous avons réalisées, détectent les produits de
l’ionisation où seul le continuum de l’ion parent est accessible énergétiquement. La
décroissance temporelle de l’ion parent révèle la durée de vie de l’état initial préparé par
l’impulsion pompe, ce qui correspond au temps de dissociation si celle-ci est directe.
Dans l’expérience effectuée à Toulouse, nous avons estimé la durée de vie de la bande
origine de l’état Rydberg F1Σu+(3d πg) en peuplant cet état par une transition à 3 photons à
401 nm (durée de vie ~ 80 fs). Afin d’éliminer les interférences optiques et de différencier
clairement les impulsions pompe et sonde, l’impulsion sonde est centrée à 802 nm et ionise à
2 photons. Des contributions d’un état gerade (1∆g201) peuplé par une transition à 6 photons
de la sonde ont été observées pour des délais négatifs. La difficulté de ces expériences pompesonde multiphotoniques est la compétition entre la simple excitation à trois photons vers les
états de Rydberg et l’ionisation directe à (3+1) photons.
Une manière simple d’éviter cette compétition est de produire un photon VUV,
troisième harmonique du bleu pour photoexciter l’acétylène vers ces états de Rydberg. Le
schéma d’énergie pompe-sonde est alors un photon VUV
C2 H 2
+ un photon à ~400 nm. Cette expérience a été réalisée à
Lund dans le groupe d’A. L’Huillier où de surcroît, il est
2
τ e = 60 fs
F 40
possible de collecter le spectre de photoélectrons émis lors
de l’ionisation. Les harmoniques de ~400 nm sont
produites dans un jet de xénon. Une fenêtre de LiF
2
E 40
absorbe les harmoniques plus élevées que la troisième
τ e = 150 fs (132 nm).
Deux séries d'expériences ont été effectuées, à
deux longueurs d'onde voisines, dans C2H2 et C2D2. Dans
τ
=
140
fs
C2 D 2
e
C2H2, les états F 1 Σ u+ 402 (2 quanta excités dans le pliage
trans) et E 402 − 502 ont été excités. Une comparaison avec
2
les spectres de photoélectrons mesurés en nanoseconde à
E 40
τ e = 550 fs Orsay (cf § suivant) valide leur assignation. Un léger
décalage temporel de l'instant d'excitation est observé.
Celui-ci est une conséquence de la dérive de fréquence de
l'impulsion pompe (φ"~104 fs2) qui résulte des éléments
-500
0 Délai (fs)500
1000
optiques dispersifs24 et de l’automodulation de phase liée
à l’intensité élevée des faisceaux (mJ/impulsion). Des comportements analogues sont
2
E 50
24
Une fenêtre de LiF est utilisée pour bloquer les harmoniques supérieures à 3
80
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
observés dans C2D2. Les caractéristiques des impulsions pompe et sonde (dérives de
fréquence) sont déterminées par une procédure d'ajustement multiple, combinant les signaux
de corrélations croisées enregistrés sur le xénon (ion), les signaux pompe-sonde de l’acétylène
ainsi que ceux de l’acétylène deutéré (ion + photoélectron). On peut ainsi extraire les durées
de vie impliquées qui varie entre moins de 100 fs et 500 fs. Alors que les impulsions sont
"allongées" à environ 300 fs. Ainsi, la présence de dérive de fréquence dans l'impulsion
pompe, au contraire de diminuer la résolution temporelle, permet de séparer différentes
contributions excitées dans la même impulsion.
Les spectres de photoélectrons pris en ns-(3+1) REMPI ont été analysés en tenant
compte de l’effet Renner-Teller de l’ion qui divise chaque niveau vibrationnel de pliage trans
en multiplet. Une telle analyse systématique révèle aussi la géométrie d’équilibre pliée trans
de l’état de valence E jusqu’alors assigné cis. Des calculs ab initio de géométrie d’équilibre
sont en cours pour confirmer cette analyse (Jacky LIEVIN-Université Libre de Bruxelles).
Ce projet peut se poursuivre par une nouvelles séries d’expériences combinant deux
impulsions VUV (ou 3 UV + VUV) afin de sonder le continuum d’ionisation des fragments.
Une fois encore le spectre de photoélectrons, mais aussi celui de fragment H et la détection
intégrée des autres types de fragments, devraient fournir de nouvelles informations sur la
dynamique et le rapport de branchement entre les différentes voies de dissociation ouvertes.
A Toulouse, la nouvelle expérience consiste à combiner toujours une transition pompe à
3 photons avec une ionisation courte (NOPA-30 fs) à 1 ou 2 photons dans le visible pour
résoudre en temps la distribution angulaire et énergétique des photoélectrons. Ceci nous
permettra de comprendre l'évolution de l’état initial préparé par l’impulsion pompe.
5.2.8. Dynamique en champ intense
5.2.8.1. Dynamique non-adiabatique d’ionisation dans un système à n-électrons
délocalisés
(VB, A. Stolow, M. Lezius, M. Ivanov)
Cette expérience a été réalisée au Steacie Institute dans le laboratoire de A. Stolow
(Ottawa) en collaboration avec M. Lezius et M. Ivanov. Nous avons étudié en fonction de la
longueur d’onde, de l’intensité lumineuse ainsi que des propriétés moléculaires, le mécanisme
d’ionisation de molécules polyatomiques à n-électrons délocalisés [16,17]. Il ressort de cette
étude qu’aux intensités intermédiaires (1013W/cm2), la dynamique d’excitation est dominée
par des oscillations cohérentes de grandes amplitudes des électrons délocalisés dans le
système.
Les molécules en champ laser intense sont généralement décrites dans les modèles les
plus simples comme ayant un seul électron actif. Pour des molécules avec beaucoup
d’électrons π délocalisés, ces modèles quasi-statiques ne sont plus valides. En effet, le fait
que :
- les configurations doublement excitées soient énergétiquement inférieures au
potentiel d’ionisation,
- en champ laser intense, les fréquences d'oscillation des électrons délocalisés soient
du même ordre de grandeur quelles que soient les orbitales occupées,
- le mouvement des électrons délocalisés soit trop lent pour émettre un électron en
dehors du « squelette » des noyaux du fait de la taille de la molécule,
induit que ces électrons π ne peuvent pas s’ajuster adiabatiquement aux oscillations du champ
laser intense et qu’on ne peut donc plus ignorer leur dynamique.
Nous avons étudié, entre autres, ces photoionisations non-adiabatiques en prenant des
molécules de même nombre d’électrons π délocalisés et différant de par leurs tailles et leur
81
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
géométrie (molécules cycliques ou linéaires). Pour une molécule telle que le cyclooctatétraène
(L~3 Å), le spectre de masse est constitué simplement de l’ion parent quelque soit l’intensité
du champ (<1014W/cm2) ou la longueur d’onde d’excitation. Tandis que pour le décatétraène
(molécule linéaire, L~13 Å), en déplaçant la longueur d’onde d’excitation de l’infrarouge au
visible, le spectre passe d’un simple pic d’ionisation à un spectre riche en fragments d’énergie
cinétique élevée (jusqu’à 3 eV). Nous avons décrit ce processus dans un modèle simple qui
suppose une polarisation du champ parallèle à l’axe moléculaire, et un mouvement des
électrons délocalisés seulement le long de la chaîne carbonée. Dans la plage de longueurs
d’onde étudiée (400 nm-1.6 µm) le modèle est en très bon accord avec l’expérience. Ce
modèle montre que la polarisation induite par le champ laser sur tous les électrons délocalisés
augmente la barrière de l’effet tunnel et de ce fait augmente le seuil d’ionisation
contrairement au modèle basé sur un seul électron actif. En effet, l’énergie absorbée par la
molécule est partagée par tous les électrons délocalisés, engendrant une dynamique de
polarisation des électrons. Cette étude est pionnière et de tout première importance pour
l’utilisation des laser femtoseconde en spectrométrie de masse.
5.2.8.2. Dynamique de nanoplasmas
(MAB, E. Suraud, M. Belkacem)
Les agrégats sont des édifices formés d’atomes en nombre fini variant entre quelques
unités et quelques millions. En les produisant dans des jets supersoniques, on obtient une
assemblée de nanoparticules isolées les unes des autres. La densité à l’intérieur de chacune
d’elle est équivalente à celle du solide. C’est de ce double aspect que vient l’originalité de leur
comportement en champ intense : en tant que milieu dense, ils possèdent des sections
efficaces d’absorption élevées et, en tant que cible produite en phase gazeuse, aucun
environnement extérieur ne vient absorber l’énergie d’excitation. De ce fait le couplage
électromagnétique peut être très efficace : des taux d’absorption voisins de 100% ont été
observés. L’émission de fragments hautement chargés et de forte énergie (MeV) ainsi que
l’émission de rayons X sont les manifestations spectaculaires de cette interaction. Un modèle
qui permet de décrire un scénario viable pour la dynamique de l’agrégat est le modèle dit de
nanoplasma (proposé par T. Ditmire du LLL à Livermore). Le rayonnement laser arrache aux
atomes des électrons (photoionisation) qui quittent l’agrégat, celui ci se charge positivement
et empêche ainsi les électrons arrachés ultérieurement de partir. L’agrégat se transforme alors
en un gaz ions–électrons de dimension nanométrique appelé nanoplasma. Ce plasma possède
une fréquence d’oscillation propre appelé fréquence plasmon. Lorsqu'au cours du temps la
densité d’électrons atteint la densité critique25, le couplage laser-agrégat devient élevé et le
rayonnement est absorbé de façon efficace. L’agrégat explose alors, libérant des ions et
électrons fortement énergétiques.
En collaboration avec E. Suraud et M. Belkacem (LPQT), nous avons écrit un code
numérique pour la résolution des équations du nanoplasma. M.A. Lebault (LASIM, Lyon)
nous a communiqué le code initial écrit par T. Ditmire. La comparaison des résultats de notre
calcul à ceux obtenus par celui-ci (et publiés) montre une contradiction flagrante pour le
comportement de l’agrégat à des instants où la résonance plasmon se produit. Ceci est dû à un
traitement numérique incomplet des équations dans le code de T. Ditmire que nous avons su
éviter dans notre cas. Nous travaillons actuellement à améliorer le modèle pour obtenir des
résultats plus réalistes et conformes à l'expérience.
25
Telle que la fréquence de plasmon est égale à la fréquence du laser
82
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
5.2.9. Projets
5.2.9.1. Développements instrumentaux
5.2.9.1.1. Génération de fréquences dans l'UV et le VUV
(BdB, VB, JD)
Au delà de la difficulté à générer des impulsions femtoseconde VUV, les expériences
pompe-sonde dans le VUV présentent un grand intérêt pour l'étude de la plupart des petites
molécules polyatomiques.
Cependant, encore peu de groupes de femtochimie ont la possibilité d'accéder à de telles
longueurs d'onde. Par des mélanges de fréquence dans les cristaux, les plus petites longueurs
d'onde générées ne dépassent pas 130 nm, et avec de faibles efficacités. Au vu de l’intensité
maximale de la chaîne actuelle (800 nm, 1 mJ), la génération d’impulsion VUV peut être
obtenue via différence de fréquence entre une impulsion UV et une impulsion accordable dans
le visible (NOPA)26 et ce dans une fibre creuse remplie de gaz. Les outils de caractérisation de
l’impulsion VUV restent à développer entre autres autour de la spectroscopie de
photoélectrons.
5.2.9.1.2. Mise en forme d'impulsions
(BdB)
Afin de pouvoir fournir une impulsion « optimale », qui n’est pas nécessairement une
impulsion gaussienne de durée minimale, il est indispensable de pouvoir contrôler les
caractéristiques temporelles de notre impulsion, à savoir sa phase et son amplitude. Ainsi
plusieurs dispositifs permettent de faire cette mise en forme d’impulsions par programmation
de modulations arbitraires. On peut les ranger en deux familles : ceux qui permettent une
variation continue des paramètres, et ceux qui fournissent une modulation discrétisée. Tous
sont basés sur un filtre spectral passif. Nous n’évoquons que deux de ces systèmes, que nous
avons l’opportunité de tester. Ceux-ci sont basés, pour l’un, sur l’accord de phase avec une
onde acoustique dans un cristal,27 et pour l’autre sur la possibilité, avec un modulateur à
cristaux liquides, d’induire des modulations de phase ou d’amplitude spatiales dans le plan de
Fourier d’une ligne à dispersion nulle.28
La première technique est basée sur un modulateur acousto-optique longitudinal (sa
forme commerciale est le DAZZLER) : l’interaction entre une onde acoustique et l’impulsion
courte polarisée selon un des axes du cristal crée une onde optique polarisée selon l’autre axe.
Cette dernière est une convolution du signal électrique qui génère l’onde acoustique et de
l’onde optique incidente.
La seconde technique utilise les propriétés d’une ligne à dispersion nulle, ou ligne 4f,
composée de deux éléments dispersifs identiques (réseaux) et de deux lentilles de focale f. Au
centre de la ligne 4f est créé un plan de Fourier : les composantes spectrales du faisceau
incident sont spatialement étalées et focalisées. Il suffit alors de placer en cet endroit un
modulateur à cristaux liquides pixellisés. L'inconvénient majeur de la pixellisation est
l’apparition de répliques qui peuvent être rédhibitoires pour certaines expériences (plasmas,
interférences de paquet d’onde). Cependant, ces effets peuvent être minimisés. Celle-ci est
toutefois intéressante dans le cas où on cherche une discrétisation de la phase spectrale.
Nous avons testé le DAZZLER sans succès réel dans une première expérience
consistant à supprimer les interférences destructives obtenues dans les transitoires cohérents
26
A. Nazarkin, G. Korn, O. Kittelmann, J. Ringling et I. V. Hertel, Phys. Rev. A 56, 671 (1997).
P. Tournois, Opt. Commun. 140, 245 (1997).
28
A. M. Weiner, D. E. Leaird, J. S. Patel, and J. R. Wullert II, I.E.E.E. J. Quant. Electronics 28, 908 (1992).
27
83
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
du rubidium (cf §2.4.1). Nous avons finalement opté pour un dispositif à cristaux liquides de
640 pixels permettant d'agir simultanément sur la phase et l’amplitude.
Enfin nous souhaitons aussi développer un dispositif de mise en forme spatiale de
l’impulsion particulièrement nécessaire dans les expériences en champ fort ou bien dans des
expériences où nous souhaitons effectuer précisément une oscillation complète de Rabi
(pulse 2π ). En effet, il est alors important que tous les atomes (ou molécules) voient le même
champ laser afin que la moyenne sur le profil spatial d’intensité ne brouille pas le signal
recherché. Pour développer un tel dispositif, il peut suffire d’utiliser un système à cristaux
liquides ou un miroir déformable placé dans un plan de Fourier spatial du faisceau.
5.2.9.2. Contrôle cohérent dans de petits systèmes
5.2.9.2.1. Utilisation d'impulsions mises en forme dans les transitions à 1 et 2 photons
(BdB,BG, JD, M. Motzkus)
Il s'agit de prolonger les expériences effectuées avec des impulsions à dérive de
fréquence, comme déjà indiqué dans les parties correspondantes (cf §2.4).
5.2.9.2.2. Observation d'oscillations de Rabi à l'échelle femtoseconde
(BdB, BG, JD)
Comme préalable à la réalisation de manipulation de paquets d'onde dans la dissociation
de NaI (cf §2.6), il est nécessaire de réaliser des oscillations de Rabi à l'échelle femtoseconde.
Ceci nécessitera un bon contrôle de l'intensité lumineuse. On s'affranchira de la moyenne
spatiale, soit en travaillant avec un faisceau sonde de dimension plus petite que l'impulsion de
contrôle, soit en utilisant un faisceau pompe de profil spatial rectangulaire. Des simulations
sont actuellement en cours dans le rubidium pour déterminer les paramètres expérimentaux
les mieux adaptés.
5.2.9.2.3. Blocage de Paquets d'onde
(BdB, MAB, BG)
Les résultats obtenus en fin de thèse par C. Nicole laissent entrevoir la possibilité de
bloquer le mouvement d'oscillation d'un paquet d'onde par déplacements lumineux (cf §2.3.2)
[18]. Ces études vont être reprises dans le but d'une part d'observer expérimentalement cet
effet dans une situation simple (précession spin-orbite, puis paquet d'onde vibrationnel), et
d'autre part d'explorer d'autres possibilités de manipulation du mouvement d'un paquet d'onde,
dans des systèmes simples ou plus complexes.
D'une manière générale, deux moyens d'action sur des paquets d'onde ont été utilisés :
transfert (partiel ou complet) de populations entre états du système, déplacements des niveaux
d'énergie par "habillage" par le champ de photons. De nombreuses situations de transfert de
population peuvent être exploitées : oscillation de Rabi contrôlée29, transfert adiabatique par
impulsion à dérive de fréquence…. Il est fréquent que, dans les conditions expérimentales
habituelles (impulsions relativement intenses), déplacements de niveaux et transferts de
populations soient mêlés, conduisant à des comportements parfois complexes à interpréter.
Notre méthode de blocage de paquet d'onde est basée sur un déplacement de niveau
induit par une impulsion laser, dans des conditions où les transferts de population sont
impossibles. Dans le cas d'une oscillation entre des états a et b, d'énergies proches, il suffit
d'appliquer un fort couplage entre l'état b et un troisième état c, lorsque le paquet d'onde se
trouve en a pour bloquer celui-ci dans ce dernier état. Les états b et c étant vides au moment
où ils sont couplés, aucun transfert de population ne se produit.
29
Angle de précession égal à une valeur précise, choisie à l'avance (π/2, π, 2π, 3π …).
84
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
Ce principe général peut ensuite être appliqué à des systèmes quantiques variés : état
moléculaire à double puits, paire de puits quantiques ou de boîtes quantiques couplés par effet
tunnel. Par rapport à des propositions récentes de contrôle de l'effet tunnel basé sur des
séquences d'impulsions lasers permettant d'effectuer une succession de précessions de Rabi
d'angles bien déterminés,30 notre méthode est beaucoup plus robuste car peu sensible aux
paramètres de l'impulsion31. Dès que la mise en forme du profil spatial transverse de
l'impulsion sera disponible, nous comptons aussi mettre en place cette deuxième méthode qui,
bien que plus délicate, offre des possibilités plus variées de manipulation du paquet d'onde.
5.2.9.2.4. Transferts non Franck-Condon
(BdB, BG, VB)
Les molécules diatomiques fournissent un banc d'essai idéal pour tester les nouvelles
idées de contrôle cohérent, contrôle optimal …. De très nombreux travaux théoriques ont été
effectués et quelques réalisations expérimentales commencent à apparaître. Toutefois, même
avec de simples impulsions à dérive de fréquence linéaire, le nombre de degrés de liberté
(pente de la dérive de fréquence, durée d'impulsion initiale, conditions de saturation,
géométrie des potentiels) est déjà suffisant pour que de nombreux comportements différents
aient pu être identifiés. Cette situation est encore plus vraie dans le cas d'impulsions de formes
plus variées (dérive de fréquence non linéaire, ou variations plus complexes du champ E ( t ) .
Les paramètres de l'impulsion et de l'interaction dépendent bien sûr de l'objectif à atteindre. Il
peut s'agir d'optimiser le transfert de population vers un état électronique excité, mais aussi
parfois d'optimiser la sélectivité du processus32.
Parmi les travaux théoriques récents les plus significatifs, citons les processus visant à
réaliser un transfert total par passage adiabatique rapide33. Alors qu'un tel processus est
indépendant du signe du chirp dans une transition atomique, une asymétrie spectaculaire a été
prédite dans le cas moléculaire. Des observations expérimentales partielles ont déjà été
obtenues34. Avec des impulsions de formes légèrement plus élaborées (mais encore
accessibles à l'expérimentateur), une étude théorique a
récemment proposé un mécanisme permettant
d'effectuer un transfert de population non FranckCondon, entre deux niveaux v = 0 de puits de
potentiels électroniques décalés35.
Notre objectif est de développer une mise en œuvre
expérimentale, dans des systèmes moléculaires
simples (diatomiques, petites polyatomiques), des
différentes approches de contrôle cohérent ou optimal.
Nous utiliserons une ou plusieurs impulsions à dérive
de fréquence simples ou mises en forme. Notre premier objectif est de réaliser une expérience
de transfert non Franck-Condon dans Na2, dont les gammes spectrales sont bien adaptées au
NOPA. D'autres études suivront en fonctions des premiers résultats obtenus. L'objectif à
30
N. Tsukada, Y. Nomura et T. Isu, Phys. Rev. A 59, 2852 (1999).
Tout comme dans un transfert adiabatique, il est simplement nécessaire que la fréquence de Rabi de
l'impulsion soit grande devant le couplage Wab .
31
32
Minimiser le transfert de population vers des états indésirables (électroniques ou vibrationnels), tout en
maximisant le transfert vers l'état cible.
33
J. Cao, C. J. Bardeen et K. R. Wilson, Phys. Rev. Lett. 80, 1406 (1998).
34
A. Assion, T. Baumert, J. Helbing, V. Seyfried et G. Gerber, Chem. Phys. Lett. 259, 488 (1996).
35
B. Garraway et K.-A. Suominen, Phys. Rev. Lett. 80, 932 (1998).
85
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
moyen terme est de pouvoir contrôler le mouvement et/ou la création d'un paquet d'onde
multidimensionnel (molécules polyatomiques, mouvements électronique et rotationnel …).
5.2.9.3. Dynamique et contrôle dans des systèmes moléculaires complexes
Ce projet a pour objectif de comprendre le mécanisme microscopique de réactions
chimiques photodéclenchées à l’échelle femtoseconde (femtochimie) qui impliquent des
réarrangements électroniques importants et localisés que nous suivons entre autre par
spectroscopie de photoélectrons et de photofragments. Ces diagnostics permettent de
comprendre l’origine des forces qui conduisent la réaction. In fine, l’objectif est de perturber
l’établissement de ces forces par déplacement ou suppression des couplages, en utilisant une
impulsion intense (déplacement par effet Stark dynamique) ou une impulsion à dérive de
fréquence. En pratique, ceci n'est possible que si la dynamique des états électroniques de la
molécule est bien connue ou si l'implantation d'un schéma de contrôle optimal est possible36.
Les différentes études envisagées concernent
- le rôle joué par le mode de pliage de l’antenne NaF dans les couplages nonadiabatiques menant à la dissociation des agrégats mixtes NanFn-1,
- la dissociation concertée du thiophosgène menant à la formation de Cl2,
- le rôle de la double liaison C=C du tétrathiofulvalène lors des conversions internes,
- la compétition entre prédissociation vibrationnelle et électronique dans Ar..I2,
- le contrôle de réaction de « harpon » par une impulsion pompe à dérive de
fréquence.
5.2.9.3.1. Dynamique des petits agrégats ioniques NanFn-1 .
( VB, BdB, BG, JD, équipe "agrégats" du LCAR, F. Spiegelmann, MC Heitz, C. Meier)
Ce texte résume celui que l'on peut trouver dans les projets de l'équipe "agrégats".
Les études de dynamique d’agrégats de taille raisonnable (plus gros que le trimère) sont
encore très peu nombreuses.
En septembre 2001, nous avons commencé, en collaboration avec l’équipe « agrégats »
du laboratoire CAR, une étude expérimentale de la dynamique des agrégats de fluorure de
sodium à l’échelle femtoseconde. Nous envisageons dans un premier temps, en relation avec
les études antérieures de ces systèmes, d’observer la dynamique de fragmentation d’agrégats
NanFn-1.37 Les études de spectroscopie « nanoseconde » par photodépopulation ont en effet
révélé que certains de ceux-ci (de type « queue de sodium ») présentent des bandes
d’absorption dissociatives. Les études théoriques portant sur la dissociation de Na5F4 ont
montré que les voies de dissociation suivies ne sont pas celles de plus basse énergie (qui
impliquent l’évaporation d’un monomère métallique), mais correspondent à la dissociation
d’un dimère NaF38. Ce comportement résulte des propriétés de symétrie de l’état excité. Ceci
n’a cependant pas pu être prouvé expérimentalement par les techniques laser classiques.
L’exploration de la dynamique de dissociation est possible en utilisant un laser femtoseconde
et la technique pompe-sonde : un premier pulse excite l’agrégat (par exemple Na5F4) dans
l’état dissociatif, un second sonde (par photoionisation) le produit de dissociation (Na4F3 dans
l’exemple choisi). Nous mesurerons ainsi, en fonction de l’agrégat initial, le temps
caractéristique d’apparition du produit. De plus, la structure temporelle du signal de sonde
nous renseignera sur la dynamique interne de l’agrégat dans l’état excité.
36
37
38
W. S. Warren, H. Rabitz, and M. Dahleh, Science 259, 1581 (1993).
M. Hartmann, J. Pittner, and V. Bonacic-Koutecky, J. Chem. Phys. 114, 2106 et 2123 (2001).
G. Durand and F. Spiegelmann, Eur. Phys. J. D 13, 237 (2001).
86
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
Un second volet de ces études consistera à réaliser des expériences dites « pompedéplétion » sur de petits agrégats de fluorure de sodium, qui ont été proposées par V.
Koutecký. On pourra par exemple observer le mouvement de « battement d’aile » de Na2F
lorsqu'un paquet d'onde du mode de pliage est créé dans l'état électronique excité.
5.2.9.3.2. Dynamique de transferts de charge, d'isomérisation, de photodissociation
(VB, BG)
Le thiosphosgène est un composé thiocarbonyl dont les premières limites de
dissociation sont 39:
SCCl2 + λ (<502nm) →CS(X1Σ) + Cl2
SCCl2 + λ (<450nm) →SCCl + Cl.
SCCl2 + λ (<250nm) →CS(X1Σ) + 2Cl
Cette molécule absorbe depuis son état fondamental S0(X1A1) essentiellement vers l’état
optiquement permis S2 (B1A1) avec un maximum d’absorption autour de λmax=254 nm40.
Malgré de nombreuses études effectuées en fluorescence, aucune expérience n’a pu mettre en
évidence la formation de Cl2, que ce soit à partir de S1(A1A2) ou de S241. Nous proposons
d’étudier cette photodissociation et notamment le rapport de branchement des canaux de
dissociation, en excitant les états singulets par une technique pompe-sonde femtoseconde à 1
ou 2 photons pompe. Ces études s’effectueront en combinant les détections intégrantes
(détection des ions parents et fragments) aux détections différentielles par imagerie
(photoélectrons + distribution en énergie des fragments ionisés). Suite à cette première étude
de femtochimie, nous pourrons considérer cette molécule et ses dérivées comme d'éventuels
candidats pour tester des schémas de contrôle cohérent.
Le tétrathiofulvalène (C6S4H4, TTF), est un bon exemple de système donneur-accepteur
d'électrons, pouvant servir de base à l'étude de la dynamique de transfert de charge et de la
conductivité dans une molécule organique. Ce tétrathioéthylène est hautement conducteur et
généralement joue le rôle de donneur lorsqu’il est combiné à des molécules telles que le
TCNQ42. Sa haute conductivité est supposée être favorisée par des couplages électronvibration impliquant entre autres la double liaison C=C du TTF.
Le spectre d’absorption de cette molécule quasi-plane comporte trois bandes diffuses
centrées à 455 nm (S1), 370 nm (S2) et 300 nm (S3). Les deux dernières bandes sont des
transitions singulet π∗←π. La première bande est sujette à controverses. L’interprétation la
plus convaincante l’assigne à une transition B1g, interdite par symétrie électronique et
autorisée par conversion interne à partir des états permis S2 et S3. La dynamique de cette
conversion interne devrait pouvoir s'observer par l'évolution temporelle du spectre de
photoélectrons. Cette expérience permettrait de mieux comprendre l’origine de cette première
bande à travers les couplages vibroniques et de ce fait la structure électronique du TTF.
5.2.9.3.3. Prédissociations vibrationnelle et électronique : complexe Van der Waals
I2Ar
(B. Lepetit, VB…)
Le groupe de Théorie et modélisation de processus moléculaires, a récemment montré
que la variation des durées de vie des niveaux vibrationnels de l’état électronique d’Ar..I2(B)
(sur l'isomère perpendiculaire "en T"), est principalement associée à la redistribution
vibrationnelle intramoléculaire (IVR), plutôt qu’à une variation des facteurs Franck-Condon
39
Okabe, J. Chem Phys. 66, 2058 (1977)
Steer et al, J. Chem Phys. 66, 699 (1977)
41
Bersohn et al, J. Chem Phys. 79, 175 (1982)
42
tétracyanoquinodimethane. molécule fortement acceptrice d’électron.
40
87
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
dans la prédissociation électronique43. La prédissociation électronique mène aux produits
I+I+Ar, tandis que la prédissociation vibrationnelle donne I2 + Ar. La prédissociation prend
place sur la dizaine à la centaine de picosecondes dans le cas de l’isomère perpendiculaire,
tandis qu’elle est beaucoup plus rapide dans le cas de l’isomère linéaire.
Nous proposons d’étudier en pompe-sonde la prédissociation vibrationnelle d’Ar…I2
dans l’ensemble des niveaux de van der Waals combinés à l’excitation de v quanta de
vibration (v<25) de I2(B). La prédissociation vibrationnelle de l’isomère perpendiculaire sera
analysée en ionisant à deux photons UV et en collectant les ions parents Ar…I2+. De plus, il
devrait être possible de différencier la prédissociation vibrationnelle de la prédissociation
électronique en regardant la dépendance temporelle du spectre de photoélectrons.
5.2.9.2.4. Contrôle de la dynamique dans des complexes de van der Waals Ca…HBr
(VB, BG, C. Meier, JM Mestdagh, B. Soep)
Les réactions décrites par le modèle du harpon, telle la réaction Ca* + HBr sont
gouvernées par un saut d'électron se produisant lors du croisement des surfaces covalente
(voie d'entrée) et ionique. Dès ce transfert d'électron effectué, le système évolue sur une
surface fortement attractive. Cependant, l’ion HBr- formé est instable et se dissocie en même
temps que se forme le produit de réaction CaBr. On voit dans cet exemple comment le
changement brutal de conformation électronique, Ca*+HBr se transformant en Ca++HBr-,
conduit au jeu de forces qui induit la réaction chimique. Ce sont précisément des régions de
ce type qu’il convient d’étudier pour bien comprendre le mécanisme d’une réaction chimique.
Sur l’exemple ci-dessus, la zone où opère le changement de conformation électronique est très
localisée et caractérisé par deux couplages non-adiabatiques. Nous choisirons d’étudier des
systèmes possédant cette propriété car elle fournit des perspectives intéressantes en terme de
contrôle des réactions chimiques.
5.2.9.4. Effets de propagation dans des milieux optiquement épais : observation et contrôle
(MAB)
L’étude de l’interaction entre un système quantique à trois niveaux et le rayonnement
laser donne lieu à un grand nombre de phénomènes nouveaux. La transparence électromagnétique induite par laser en est un exemple spectaculaire. Quand un champ laser est
résonant avec une transition du système (1-2), il est absorbé efficacement. Si le niveau
supérieur de la transition est connecté par un champ intense à un autre niveau (3) alors le
système peut devenir transparent sur la transition (1-2) et le premier champ laser n’est plus
absorbé. L’interprétation de ce phénomène fait aussi bien intervenir l’effet Stark dynamique
induit par le champ fort que le phénomène d’interférence destructive entre les chemins (1-2)
et (2-3). Le phénomène de transparence induite peut être accompagné, dans certaines
conditions, de l’augmentation de l’indice de réfraction ou du ralentissement de la lumière. La
vitesse de groupe des impulsions lasers peut baisser de façon spectaculaire, jusqu’à quelques
m/s. Le stockage de la lumière dans des échantillons de matière devient alors une perspective
réaliste. Les travaux effectués jusqu’à présent ont concerné des impulsions lumineuses très
longues (domaines microseconde). Le projet expérimental consiste à explorer le phénomène
de transparence électromagnétique en régime d’impulsions courtes. Les premières
expériences devraient démarrer au second trimestre de l’année 2002.
43
Roncero, Lepetit et al. J. Chem. Phys. 115, 6961 (2001)
88
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
5.2.10. Les collaborations nationales et internationales
Th. Amand (INSA Toulouse) plan état - Région 2000-6 : Contrôle cohérent temporel dans
les atomes, les molécules et les puits quantiques. Application à la cryptographie quantique.
JP Chambaret (LOA Palaiseau) : Développement - Construction d'un SPIDER
C. Meier (LCAR) et S. Magnier (Univ. Metz) : Dynamique pompe-sonde dans K2
D. Gauyacq (Laboratoire de Photophysique Moléculaire, Orsay) - A. Lhuillier (Lund
laser center) – PCMI : Dynamique de photodissociation des états de Rydberg de
l'acétylène
L. Wöste, E. Schreiber (Freie Universität Berlin) programme Procope 97-98 : Contrôle
cohérent dans l'atome césium ; études pompe - sonde dans les dimères alcalins
M. Vrakking (AMOLF Amsterdam), C. Meier (LCAR) - programme Van Gogh 982001 : Imagerie de photoélectrons et dynamique pompe-sonde
G. Gerber (Würzburg) – programme Procope 99-2000 : Interférences d'électrons libres
E. Sokell (Univ. College, Dublin), programme France - Irlande 2000 : Imagerie de
photoélectrons, évolution temporelle de distributions angulaires d'électrons
N. Vitanov (Helsinki et Sofia) : Excitation cohérente d'atomes et de molécules
M. Motzkus (MPQ Garching) : Pulse shaping dans des transitions atomiques simples
M. Belkacem et E. Suraud (LPQ, Toulouse) : Etude théorique des agrégats soumis à des
champs intenses.
Réseau européen (programme "Improving Human Potential" 2000-4) COCOMO
(Coherence And Control In Atomic And Molecular Systems And Processes) avec K.
Bergmann, G. Gerber, P. Lambropoulos, D. Charalambidis, P. Knight, J. Marangos, S.
Stenholm, N. Vitanov, B. Noordam, M. Shapiro.
5.2.11. Publications
5.2.11.1. Revues à comité de lecture
[1]
V. Blanchet, M. A. Bouchene et B. Girard, “Temporal coherent control in the
photoionization of Cs2 : Theory and Experiment,” J. Chem. Phys. 108, 4862 (1998).
[2]
M. A. Bouchene, V. Blanchet, C. Nicole, N. Melikechi, B. Girard, H. Ruppe, S.
Rutz, E. Schreiber et L. Wöste, “Temporal coherent control from wave packet
interferences in one- and two-photon atomic transitions,” Eur. Phys. J. D 2, 131 (1998).
[3]
C. Nicole, M. A. Bouchene, V. Blanchet, N. Melikechi et B. Girard, “Contrôle
cohérent temporel par interférences quantiques,” Ann. Phys. Fr. 23, C1 119 (1998).
[4]
M. A. Bouchene, C. Nicole et B. Girard, “Wavepacket interferometry with chirped
pulses,” J. Phys. B 32, 5167 (1999).
[5]
C. Dorrer, B. de Beauvoir, C. Le Blanc, S. Ranc, J. P. Rousseau, P. Rousseau, J. P.
Chambaret et F. Salin, “Single-shot real-time characterization of chirped-pulse
amplification systems by spectral phase interferometry for direct electric-field
reconstruction,” Opt. Lett. 24, 1644 (1999).
89
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
[6]
C. Nicole, M. A. Bouchene, C. Meier, S. Magnier, E. Schreiber et B. Girard,
“Competition of different ionization pathways in K2 studied by ultrafast pump-probe
spectroscopy: A comparison between theory and experiment,” J. Chem. Phys. 111, 7857
(1999).
[7]
C. Nicole, M. A. Bouchene, S. Zamith, N. Melikechi et B. Girard, “Saturation of
wave-packet interferences : Direct observation of spin precession in potassium atoms,”
Phys. Rev. A 60, R1755 (1999).
[8]
M. A. Bouchene, C. Nicole et B. Girard, “Interplay between wave packet
interferences and second harmonic generation,” Opt. Commun. 181, 327 (2000).
[9]
C. Dorrer, B. de Beauvoir, C. Le Blanc, J.-P. Rousseau, S. Ranc, P. Rousseau, J.-P.
Chambaret et F. Salin, “Characterization of chirped-pulse amplification systems with
spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction,” Appl. Phys. B 70,
S77 (2000).
[10] E. Sokell, S. Zamith, M. A. Bouchene et B. Girard, “Polarization dependent pumpprobe studies in atomic fine structure levels : towards the production of spin-polarized
electrons.,” J. Phys. B 33, 2005 (2000).
[11] S. Zamith, M. A. Bouchene, E. Sokell, C. Nicole, V. Blanchet et B. Girard, “Pump
probe experiment in atomic fine structure levels : observation of the oscillation of an
angular wave packet,” Eur. Phys. J. D 12, 255 (2000).
[12] M. A. Bouchene, S. Zamith et B. Girard, “Spin polarised electrons produced by a
sequence of two femtosecond pulses. Calculation of differential and global polarisation
rates,” J. Phys. B 34, 1497 (2001).
[13] J. Degert, C. Meier, B. Girard et M. J. J. Vrakking, “Time-dependent fragment
distributions detected via pump-probe ionization: a theoretical approach,” Eur. Phys. J.
D 14, 257 (2001).
[14] S. Zamith, J. Degert, S. Stock, B. De Beauvoir, V. Blanchet, M. A. Bouchene et B.
Girard, “Observation of Coherent Transients in Ultrashort Chirped Excitation of an
undamped Two-Level System,” Phys. Rev. Lett. 87, 033001 (2001).
[15] M. Lezius, V. Blanchet, D. M. Rayner, D. M. Villeneuve, A. Stolow et M. Y.
Ivanov, “Nonadiabatic Multi-electron Dynamics in Strong Field Molecular Ionization,”
Phys. Rev. Lett. 86, 51 (2001).
[16] C. Nicole, M. A. Bouchene et B. Girard, “Dynamics and interference of fine-structure
wavepackets created by strong ultrashor pulses” J. Mod. Optics 49, 1/2, 183-200 (2002).
[17] M. A. B. Bouchene, “Dynamique et interférences de paquets d'ondes dans les atomes et
molécules d'alcalins,” Ann. Phys. Fr. Soumis (2002).
[18] J. C. Delagnes et M. A. B. Bouchene, “Compensation of Wave packet spreading with
linearly chirped pulses : theoretical analysis,” J. Phys. B soumis (2002).
[19] M. Lezius, V. Blanchet, M. Y. Ivanov et A. Stolow, “Intense laser field ionization of
polyatomic molecules,” J. Chem. Phys. Soumis (2002).
90
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
Publications de membres de l'équipe décrivant des travaux effectués
avant leur arrivée au laboratoire
[20] V. Blanchet et A. Stolow, “Nonadiabatic dynamics in polyatomic systems studied by
femtosecond time-resolved photoelectron spectroscopy,” J. Chem. Phys. 108, 4371
(1998).
[21] V. Blanchet et A. Stolow, “Time-resolved configuration interaction,” dans Ultrafast
Phenomena XI, édité par T. Elsaesser, J. G. Fujimoto, D. A. Wiersma, and W. Zinth
(Springer, Berlin, 1998), pp. 456.
[22] B. de Beauvoir, L. Hilico, L. Julien, F. Biraben, B. Cagnac, F. Nez, J. J. Zondy, D.
Touahri, O. Acef et A. Clairon, “High resolution spectroscopy of hydrogen and
deuterium atoms,” Laser Physics 8, 561 (1998).
[23] B. de Beauvoir, F. Nez, L. Hilico, L. Julien, F. Biraben, B. Cagnac, J. J. Zondy, D.
Touahri, O. Acef et A. Clairon, “Transmission of an optical frequency through a 3 km
long optical fiber,” Eur. Phys. J. D 1, 227 (1998).
[24] S. Zamith, C. Meier, N. Halberstadt et J. A. Beswick, “A time dependent wave
packet study of the one-atom cage effect in I2 - Ar,” J. Chem. Phys. 110, 960 (1999).
[25]
V. Blanchet, M. Zgierski, T. Seidemann et A. Stolow, “Discerning Vibronic
Molecular Dynamics using time-resolved photoelectron Spectroscopy,” Nature 401,
52 (1999).
[26] C. Schwob, L. Jozefowski, O. Acef, L. Hilico, B. de Beauvoir, F. Nez, L. Julien, A.
Clairon et F. Biraben, “Frequency measurement of the 2S-12D transitions in
hydrogen and deuterium, new determination of the Rydberg constant,” IEEE Trans.
Instrum. Measur. 48, 178 (1999).
[27] C. Schwob, L. Jozefowski, B. de Beauvoir, L. Hilico, F. Nez, L. Julien, F. Biraben,
O. Acef et A. Clairon, “Optical frequency measurement of the 2S-12D transitions in
hydrogen and deuterium: Rydberg constant and Lamb shift determinations,” Phys.
Rev. Lett. 82, 4960 (1999).
[28] V. Blanchet, M. Zgierski, Z. C. Yan, T. Seidemann, S. Lochbrunner, J. J. Larsen,
M. Schmitt, J. P. Shaffer et A. Stolow, “Towards Disentangling Coupled Electronicvibrational Dynamics in Ultrafast Non-Adiabatic Processes,” Faraday Discuss. Chem.
Soc. 115 (2000).
[29] B. De Beauvoir, C. Schwob, O. Acef, L. Jozefowski, L. Hilico, F. Nez, L. Julien, A.
Clairon et F. Biraben, “Metrology of the hydrogen and deuterium atoms:
Determination of the Rydberg constant and Lamb shifts,” Eur. Phys. J. D 12, 61
(2000).
[30] V. Blanchet, M. Z. Zgierski et A. Stolow, “Electronic continua in time-resolved
photoelectron spectroscopy. I. Complementary ionization correlations,” J. Chem.
Phys. 113, 1194 (2001).
[31] K. Resch, V. Blanchet, A. Stolow et T. Seidemann, “Toward Polyatomic Wave Packet
Decomposition: Final State Effects,” J. Phys. Chem. A 105, 2756 (2001).
91
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
5.2.11.2. Publications dans des ouvrages collectifs
[1]
B. Girard, M. A. Bouchene, V. Blanchet, C. Nicole et S. Zamith, “Ultrashort Wave
Packet Dynamics and Interferences in Alkali Atoms,” dans Atomic and Molecular
Beams. The State of the Art 2000, édité par R. Campargue (Springer-Verlag, 2000), pp.
145.
[2]
B. Girard, J.-M. Mestdagh et B. Soep, “Le Contrôle Cohérent,” dans Sciences aux
temps ultracourts. De l'attoseconde aux petawatts, édité par A. d. Sciences (Tec et Doc,
Paris, 2000), pp. 254.
[3]
J.-M. Mestdagh, B. Soep et B. Girard, “Dynamique en phase gazeuse par la technique
Pompe - Sonde,” dans Sciences aux temps ultracourts. De l'attoseconde aux petawatts,
édité par A. d. Sciences (Tec et Doc, Paris, 2000).
[4]
B. Girard, J.-M. Mestdagh et B. Soep, “Le Contrôle Cohérent,” dans Systèmes
femtosecondes, édité par P. Laporte and F. Salin (Presses de l'Université de St-Etienne,
St-Etienne, 2001), pp. 209.
[5]
S. Zamith, V. Blanchet, B. Girard, J. Norin, J. Mauritsson, A. L'Huillier, J.
Andersson, S. Sorensen, I. Hjelte, O. Bjorneholm et D. Gauyacq, “Predissociation
dynamics of acetylene Rydberg states,” dans Femtochemistry V (World Scientific,
Singapore, 2002), pp. XXX.
[6]
S. Zamith, J. Degert, S. Stock, B. de Beauvoir, V. Blanchet, M. A. Bouchène et B.
Girard, “Effect of coherent transients on a pump-probe time resolved signal,” dans
Femtochemistry V (World Scientific, Singapore, 2002), pp. XXX.
5.2.11.3. Compte-rendus de conférences publiés
[1]
M. A. Bouchene, S. Zamith, B. Girard, T. Frohnmeyer, M. Strehle, U. Weichmann
et G. Gerber, “Interferences of ultrafast free electron wave packets,” présenté à Laser
Spectroscopy. XIV International Conference, pp 338-9 (World Scientific) Innsbrück
(Austria), 1999.
[2]
E. Schreiber, C. Nicole, M. A. Bouchene, C. Meier et B. Girard, “Competition of
different ionisation pathways in K2 investigated by fs pump and probe spectroscopy:
experiment and theory,” présenté à Quantum Electronics and Laser Science
Conference, 40 (2000).
5.2.11.4. Conférences invitées
[1] V. Blanchet, C. Nicole, N. Melikechi, M. A. Bouchene, B. Girard*, H. Ruppe, S.
Rutz, E. Schreiber et L. Wöste, “Temporal coherent control by wave packet
interferences in one and two photon atomic transitions,” présenté à Deutschen
Physikalischen Gesellschaft conference, Konstanz (Allemagne), 16 - 19 mars 1998.
[2]
V. Blanchet et A. Stolow*, “Time-resolved Photoelectron Spectroscopy,” présenté à
S.P.I.E. Conference 3271, "Laser Techniques for State-Selected and State-to-State
Chemistry IV", San Jose, California, 29-31janvier 1998.
[3]
V. Blanchet et A. Stolow*, “Time-resolved Photoelectron Spectroscopy,” présenté à
CLEO, San Francisco, California, May 1998.
[4]
V. Blanchet et A. Stolow*, “Time-resolved Internal Conversion,” présenté à Ultrafast
Phenomena, Garmisch-Partenkirchen, Germany, 12-17 July 1998.
92
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
[5]
V. Blanchet et A. Stolow*, “Femtosecond Time-resolved Internal Conversion,”
présenté à Canadian Society for Chemistry, Physical & Theoretical Chemistry
Division, Symposium on "Reaction Dynamics in the Energy & Time Domains",
Whistler, BC (Canada), juin 1998.
[6]
V. Blanchet* et A. Stolow, “Femtosecond Time-resolved Internal Conversion,”
présenté à Multiphoton Processes Gordon Conference, Tilton School, Tilton, New
Hampshire, USA, Juin 1998.
[7]
B. Girard*, C. Nicole, V. Blanchet, M. A. Bouchene, T. Amand, X. Marie, P. Le
Jeune, J. Barrau et M. Brousseau, “Optical And Quantum Interferences In Temporal
Coherent Control ?,” présenté à CMD-EPS 17 (Condensed Matter Division of the
European Physical Society) and JMC6 (Les Journees de la Matiere Condensee de
la Société Française de Physique), Grenoble, 25-29 Août 1998.
[8]
B. Girard*, C. Nicole et M. A. Bouchene, “Temporal Coherent Control In Alkali
Atoms and Molecules,” présenté à 21st International Symposium on Rarefied Gas
Dynamics, Marseille, 26-31 july 1998.
[9]
V. Blanchet et A. Stolow*, “Femtosecond Time-resolved Internal Conversion,”
présenté à Femtochemistry conference, Leuven, Belgique, July 1999.
[10] V. Blanchet et A. Stolow*, “Femtosecond Time-resolved Internal Conversion,”
présenté à South European Conference On Atomic And Molecular Physics, Gandia,
Valencia (Espagne), Juin 1999.
[11] V. Blanchet, M. Z. Zgierski, T. Seideman et A. Stolow*, “Time Resolved
Configuration Interaction in all trans decatetraene,” présenté à 217th American
Chemical Society National Meeting. Symposium on Linear Conjugated Polyenes.,
Anaheim, California, 21-25 March 1999.
[12] V. Blanchet, M. Z. Zgierski, T. Seideman et A. Stolow*, “Disentangling electronic
from vibrational dynamics in ultrafast internal conversion,” présenté à Canadian
Society for Chemistry Conference, Toronto, Ontario, 30 May - 2 June 1999.
[13] V. Blanchet*, M. Z. Zgierski, T. Seideman et A. Stolow, “Disentangling electronic
from vibrational dynamics in ultrafast internal conversion,” présenté à 1st Cross
Border Workshop on Laser Science (NRC), Ottawa, Ontario, 20-22 May, 1999.
[14] B. Girard*, “Pump-probe spectroscopy and coherent control in alcoli atoms and
dimers,” présenté à HighRus -99 13th International Symposium And School On
High Resolution Molecular Spectroscopy, Moscow, 4-10 juillet 1999.
[15] B. Girard, “Techniques de contrôle cohérent en régime femtoseconde,” présenté à
FEMTO 2000, St Etienne, 3 - 6 octobre 2000.
[16] B. Girard*, “Contrôle cohérent et contrôle optimal,” présenté à PAMO 2000, Lyon,
10-13 juillet 2000.
[17] B. Girard*, O. Björneholm, I. Hjelte, J. Andersson, S. Sorensen, J. Norin, J.
Mauritson, A. Lhuillier, C. G. Wahlström, D. Gauyacq, S. Zamith et V. Blanchet,
“Harmonics as a tool in molecular physics,” présenté à Workshop on Applications of
High-Order Harmonics, Lund (Sweden), 17-18 march 2000.
[18] B. Girard*, S. Zamith, J. Degert, C. Nicole, E. Sokell, V. Blanchet, M. A. B.
Bouchene et B. de Beauvoir, “Ultrashort wavepacket dynamics and control in alkali
atoms,” présenté à COCOMO startup meeting, Kaiserslautern, 13 - 15 avril 2000.
93
Spectroscopie moléculaire ultrarapide et contrôle cohérent
[19] B. Girard*, S. Zamith, J. Degert, C. Nicole, E. Sokell, V. Blanchet, M. A. B.
Bouchene et B. de Beauvoir, “Ultrashort wavepacket dynamics and interferences in
alkali atoms,” présenté à Ultraintense Laser Interactions and Applications (ULIA 2),
Pisa (Italy), 29 sept. - 3 oct. 2000.
[20] A. Bouchène*, S. Zamith et B. Girard, “Spin polarised electrons produced by a
sequence of two femtosecond pulses. Calculation of differential and global polarisation
rates,” présenté à Vèmes Journées de Phénomènes ultrarapides, Grenoble, 31 mai - 1er
juin 2001.
[21] A. Bouchène*, S. Zamith et B. Girard, “Spin polarised electrons produced by a
sequence of two femtosecond pulses. Calculation of differential and global polarisation
rates,” présenté à Molecular Beams, Rome, Juin 2001.
[22] J. Degert*, B. de Beauvoir, C. Meier et B. Girard, “Quantum information processing
with a dissociating molecule,” présenté à COCOMO Network Meeting, London, 23 25 avril 2001.
[23] B. Girard*, “Coherent Control in Atomic and Molecular Processes,” présenté à
ColLELSOL (Colloque sur les Applications du Laser à Electrons Libres sur
SOLEIL), Paris, 25-26 sept 2001.
[24] B. Girard*, “Coherent Control in Atomic and Molecular Processes,” présenté à French
- Chinese workshop on Molecular Dynamics, Gif sur Yvette, 16-17 oct 2001.
[25] B. Girard*, B. de Beauvoir, J. Degert, C. Meier et M. Vrakking, “Coherent Control
of the fragment distribution of a predissociating molecule,” présenté à Cold Molecules
2001 : Coherent Control and Cold Molecules, Gif-sur-Yvette, 21-25 oct 2001.
[26] B. Girard*, S. Zamith, J. Degert, V. Blanchet, M. A. B. Bouchene et B. de
Beauvoir, “Ultrashort wavepacket dynamics and coherent control in alkali atoms,”
présenté à ECAMP 7, Berlin, 1-6 Avril 2001.
[27] B. Girard*, S. Zamith, J. Degert, S. Stock, A. Montmayrant, V. Blanchet et B. de
Beauvoir, “Coherent Control of Atomic Systems with Chirped Pulses,” présenté à 2nd
workshop on Optimal Control of Quantum Dynamics, Ringberg Schloss (Münich),
9-12 déc 2001.
[28] S. Zamith, V. Blanchet*, B. Girard, J. Norin, J. Mauritson, A. Lhuillier, J.
Andersson, S. Sorensen, I. Hjelte, O. Björneholm et D. Gauyacq, “Ultrafast
dynamics of highly excited states of acetylene,” présenté à Analysis and Control of
ultrafast photoinduced reactions, Berlin, 22-25 nov 2001.
[29] S. Zamith, V. Blanchet*, B. Girard, J. Norin, J. Mauritson, A. Lhuillier, J.
Andersson, S. Sorensen, I. Hjelte, O. Björneholm et D. Gauyacq, “Ultrafast
processes in excited molecules analysed by VUV femtosecond time-resolved
photoelectron spectroscopy,” présenté à 17Th Interdisciplinary laser science
conference, Optical Society of America, Long Beach, California, oct. 2001.
[30] S. Zamith, J. Degert, A. Monmayrant, S. Stock, I. Bloch Nielsen, B. de Beauvoir *,
V. Blanchet, A. Bouchène et B. Girard, “Manipulation de systèmes quantiques par
manipulation d’impulsions lasers,” présenté à Vèmes Journées de Phénomènes
ultrarapides, Grenoble, 31 mai - 1er juin 2001.
[31] S. Zamith*, B. de Beauvoir, J. Degert, V. Blanchet, M. A. B. Bouchene et B.
Girard, “Coherent transients in Rb excited with chirped pulses,” présenté à COCOMO
Network Meeting, London, 23 - 25 avril 2001.
94
6. Spectrométrie d’électrons dans les collisions
Responsable
Bordenave-Montesquieu Alain
P. Moretto-Capelle assurera la direction de l’équipe après la soutenance de son
habilitation (probablement fin 2002)
Permanents
Moretto-Capelle Patrick (CR)
Bordenave-Montesquieu Alain (DR)
Bordenave-Montesquieu Danièle (Ingénieur de recherche)
Doctorant:
Rentenier Arnaud (depuis septembre 2000 ; boursier MEN)
Stagiaires (maîtrise, DEA):
Caseneuve Isabelle, maîtrise (2 mois en 1998)
Bonnassie Alexandra, maîtrise (2 mois en 1998)
Caseneuve Isabelle, DEA (1999)
Damaggio Léa, DEA (2000)
6.1. Compte-rendu de l’activité scientifique à 4 ans (1998 – 2001)
La période 1998-2001 marque une rupture avec notre activité antérieure et est
caractérisée par une très forte évolution de nos thèmes de recherche et de nos techniques
expérimentales : développement de techniques de coïncidence, étude des interactions d’ions
avec des cibles moléculaires complexes. La variété des résultats présentés dans nos dernières
publications témoignent de cette profonde mutation de notre activité. Nos projets confirment
et renforcent encore cette tendance.
L’évènement majeur pour notre équipe a été la fermeture brutale par le CEA de
l’accélérateur d’ions multichargés AIM de Grenoble en février 2000. Elle a remis en cause
tous nos projets qui concernaient la physique des ions multichargés (précédent rapport de
1998) : interaction ions nus – molécule C60, agrégats métalliques ; étude approfondie de la
capture multiple d’électrons par des ions nus à partir d’atomes de gaz rares. En accord avec
les recommandations du Comité Scientifique réuni en juin 1998, nous avions l’intention de
renforcer notre collaboration avec les équipes de Grenoble (SI2A Grenoble, dir. C. Guet)). Un
projet de ‘Convention de collaboration de recherche’ avait été rédigé avec Berndt Huber et
Claude Guet, fin 1999, ayant pour thème ‘Interactions ions (multichargés) – agrégats,
fullerène’. Soumis à la direction du DRFMC du CEA, il est mort-né à cause de la fermeture
de l’accélérateur AIM décidée par le CEA en février 2000. Un travail en collaboration a
cependant été développé avec l’équipe de B. Huber sur les systèmes ions – C60 [4, 8]. Cet
évènement a renforcé notre recherche d’autonomie par rapport à la physique des ions
multichargés.
95
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
Le travail correspondant à la publication [5], récemment parue, ne sera pas présenté
dans ce rapport ; il correspond à une activité antérieure à 1998 portant sur les mécanismes de
la double excitation dans la collision H+-He, en collaboration avec un groupe de théoriciens
Russes (A. Godunov, Troitsk Institute, Russie). L’exploitation d’expériences réalisées en
1996 concernant une spectroscopie haute résolution des séries 1s23lnl’ Be-like de l’oxygène et
du néon sera évoquée [2, 12] parce qu’elle va faire l’objet de deux publications [13,14]. Cette
activité de spectroscopie est maintenant arrêtée.
La mise au point d’une technique de coïncidence électrons–ions cibles en 1996 a permis
de démarrer l’étude de l’interaction des ions avec des cibles atomiques lourdes : tranfertionisation dans He2+-Ar [1], capture multiple par des ions multichargés dans N7+, F7+-Ar [3].
Depuis 1998 le développement de techniques de coïncidences multiples électrons - fragments
chargés nous a permis d’aborder de nouveaux thèmes de recherche à travers l’étude de cibles
moléculaires complexes CO2 [6, 7, 10] puis C60 [8, 9-11] : mécanismes de fragmentation des
molécules [7], énergie déposée [9, 11], corrélation avec l’émission d’électrons [10]. Ces
nouveaux thèmes de recherche nous ont rapprochés d’autres communautés scientifiques : le
GDR 2107 "Agrégats : dynamique et réactivité", le Réseau des Nanotubes Toulousain (RNT),
et d’un groupe de théoriciens [F. Martín (Departamento de Química, Univ. Autónoma de
Madrid) ; P.A. Hervieux et J. Hanssen (lab. de Physique Moléculaire et des Collisions, Univ.
Metz) ; M.F. Politis (GPS, Paris 6)] s’intéressant à l’ionisation et à la fragmentation de la
molécule C60 sous impact d’ions mono- ou faiblement chargés.
Enfin une nouvelle activité a démarré fin 2001 en parallèle à notre étude de l’ionisation
et de la fragmentation de la molécule C60 par impact d’ions monochargés ; il s’agit du dopage
de la molécule C60 par implantation d’ions. Ce projet concerne la formation et la production
de molécules dopées, et leur étude ultérieure dans des expériences de collision.
Dans le cadre de notre activité sur les ions multichargés, nous avons organisé en
septembre 1999 les Journées de la Physique des Ions Multichargés qui ont réuni la
communauté française (plus deux équipes de Louvain-la-Neuve et d’Amsterdam ; 37
participants). Notre équipe est membre associé du réseau européen LEIF (Low Energy Ion
beam Facilities ; 2000-2004), dont le responsable est B. Huber.
En résumé, jusqu’en 1999, nos projets ont essentiellement porté sur les ions
multichargés avec des expériences réalisées sur l’accélérateur d’ions multichargés AIM du
CENG de Grenoble (laboratoire SI2A – dir. C. Guet). En parallèle une activité secondaire
était développée sur notre accélérateur d’ions monochargés de Toulouse (protons, ions
légers). Depuis 2000 tous nos programmes ont été recentrés sur l’étude de collisions avec des
ions faiblement chargés, expériences effectuées exclusivement sur notre accélérateur 150 kV
de Toulouse (thèse de Arnaud Rentenier) ; plusieurs projets ponctuels existent cependant sur
la physique des ions multichargés, à développer en collaboration avec le CIRIL de Caen (voir
les projets).
6.2. Cibles atomiques - Collisions avec des ions multichargés – Etude de la
capture multiple autoionisante
6.2.1. Double capture - Spectroscopie d’électrons haute résolution des séries 1s23lnl’ de
l’oxygène et du néon
Cette étude avait été envisagée en 1996 dans le cadre d’un approfondissement de nos
études sur la double capture électronique par des ions multichargés (développement d’une
spectroscopie haute résolution, amélioration des techniques d’analyse). Il est apparu que peu
de données théoriques (énergies et durées de vie des états diexcités) fiables sont disponibles
96
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
pour analyser des spectres d’électrons issus de l’autoionisation de ces séries et donc pour
permettre d’étudier quantitativement le processus de double capture par spectroscopie
d’électrons (populations des états, alignement, ...). Les tests antérieurs par d’autres auteurs de
ces données théoriques sont trop imprécis pour permettre de conclure sur la validité de
certains calculs. Par une méthode de modélisation des spectres d’électrons, nous avons pu
tester pour la première fois les positions et durées de vie d’un grand nombre d’états singulets
des séries de Rydberg 1s23lnl’ 1L (n = 3 à 5) calculées par divers auteurs. La haute résolution
qui a été atteinte a permis d’observer l’autoionisation vers les composantes de structure fine
de l’état final 1s22pJ. Nous avons pu aussi vérifier que la règle de conservation du spin total
(règle de Wigner) s’appliquait aux réactions étudiées avec excitation des seules séries
singulets, sujet de controverse avec certains auteurs. La figure 1b montre qu’une bonne
modélisation du spectre d’électrons est possible en ne considérant que les contributions des
seuls états singulets (données spectroscopiques de Bachau et al Atomic Data 44 (1990) 305).
Electron energy in the rest frame (eV)
30
35
40
45
50
75
80
S9
(b)
S11
s9
4
cross section in the lab frame (arb. units)
85
S2
S4
3
S1
2
S3 s4(2)
s
s3 4(3)
s2
S5
s11
S7
s4(1)
S8
S6
1
T
s6
0
t2
t1
t3 t4
S12
s12
S10
t5 t6 t7
t8
t9 t10 t11 t t12
13
triplet lines
50
4
55
60
65
70
75
100
105
110
(a)
3
s9
s2
2
s4(1)
s3
s4(3)
s11
s12
s4(2)
1
s6
0
t2
t1
t3
t4 t5 t t7
6
t9 t10
t8
t11
t12
t13
triplet lines
50
55
60
65
70
75
100
105
110
Electron energy in the lab frame (eV)
FIGURE 1: Collision Ne8+-He à 80 keV. Spectre d’électrons partiel (angle d’observation 13.1°) montrant
l’autoionisation des séries de Ryberg 1s23lnl’ vers les continua d’ionisation 1s22l, d’après [12] . Le fit a été fait avec les
séries singulets (conservation du spin total). (a): Fit avec les données théoriques de Langereis et al (1999). (b): Fit avec
les données de Bachau et al. Les transitions triplets ‘ti’ sont montrées séparément.
Seules les transitions 1s23l3l’ → 1s22pJ, 2s et 1s23l4l’→ 1s22pJ sont montrées sur les figures
1a,b. Ce résultat confirme sans ambiguïté nos observations antérieures et celles d’une équipe
japonaise, mais contredit les conclusions d’autres auteurs (Langereis et al Phys. Rev. A 60
(1999) 2917). Leurs données théoriques sont testées sur la figure 1a ; il apparaît qu’elles sont
trop imprécises et ne permettent pas de modéliser correctement le spectre ; leurs conclusions
sont donc erronées. Le désaccord avec ces auteurs a fait l’objet d’un Comment au Physical
Review A [12]. Ce travail nous a aussi permis d’accéder à une mesure du rapport de
branchement partiel vers les continua d’ionisation 1s22s et 1s22p pour l’autoionisation d’un
97
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
grand nombre d’états singulets (n = 3-5). Ce paramètre n’a jamais été mesuré auparavant
excepté une tentative par notre équipe en 1991, avec une moins bonne résolution. Deux
manuscrits vont être soumis pour publication sur ce sujet [13,14].
L’évolution ultime de ce travail concerne une mesure expérimentale des positions et
durées de vie par ajustement de ces paramètres dans la modélisation des spectres d’électrons.
Un résultat partiel a déjà été publié [2]. La publication finale est en cours de rédaction.
L’activité de spectroscopie d’électrons haute résolution des ions multichargés
diexcités est maintenant arrêtée.
6.2.2. Capture multiple - Systèmes X7+- Ar [X=15N7+ ; F7+(1s2)]
Nous avons démarré, en décembre 1997 – janvier 1998, un nouveau projet d’étude de la
capture multiple à partir de cibles atomiques lourdes utilisant une technique de coïncidence
électrons – ions de recul nouvellement développée. Les résultats qui venaient d’être obtenus
ont été présentés dans le précédent rapport et ne seront pas repris ici. Ils ont fait l’objet d’une
publication parue en 1999 [3].
Ce projet n’a pas pu être développé pour deux raisons : (i) impossibilité d’acquérir une
source d’ions multichargés Nanogan (demande présentée devant le Comité Scientifique de
1998) ; (ii) fermeture de l’AIM de Grenoble.
6.3. Cibles moléculaires - Multifragmentation de molécules corrélée à
l’émission d’électrons - Molécule CO2
6.3.1. Ionisation, transfert-ionisation, capture - Collisions avec des protons
Notre réorientation vers l’étude de cibles moléculaires avec des techniques de
coïncidences multiples électrons - ions a commencé avec l’étude de la molécule CO2, au
début de 1998. Une étude générale de cette collision a été faite pour plusieurs énergies de
collision mais les résultats ne sont pas encore dépouillés. Nous présenterons ici un résultat
concernant l’étude des modes de fragmentation du dication CO22+ faite à 25 keV [7] (Fig. 2).
Le mécanisme qui explique la formation de cet ion ne peut être identifié mais il s’agit
probablement d’un transfert-ionisation (capture d’un électron par le proton accompagnée
d’une ionisation supplémentaire de la cible). A partir de la corrélation entre les spectres de
temps de vol des deux fragments, on peut calculer le moment de chaque ion et en déduire le
moment de l’atome neutre à partir de la loi de conservation des moments. Les lois de
variation des moments des ions en fonction du moment du neutre sont alors des droites dont
les pentes sont différentes suivant le mécanisme de dissociation envisagé (Figures 2a et 2b).
Les résultats expérimentaux (Fig. 2 : points) sont en très bon accord avec une
dissociation séquentielle asymétrique CO22+ → O + CO2+ → O + (C+ + O+) (Fig. 2 : ligne
continue). D’autres auteurs, étudiant la dissociation de ce dication par impact de photons ou
d’électrons, ont essayé d’expliquer directement leurs spectres de corrélation en temps de vol
(sans passer par le calcul des moments comme nous l’avons fait), semblables aux nôtres, par
une fragmentation séquentielle avec séparation initiale des charges CO22+ → O+ + CO+ → O+
+ (C+ + O) (Fig. 2 : lignes pointillées). On voit clairement sur la figure 2 que ce mécanisme ne
peut expliquer les pentes mesurées.
98
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
40
40
a)
b)
30
20
20
10
10
P(C )
0
+
+
P(O )
30
-10
0
-10
-20
-20
-30
-30
-40
-40
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
FIGURE 2:
Collision H+-CO2 à 25 keV.
Coïncidence
triple
e--ion-ion.
Corrélation entre les moments des
fragments (1 unité = 1.54 10-23 kg.m/s)
et identification du mécanisme de
dissociation asymétrique, d’après [7].
Corrélation théorique: ligne continue,
dissociation séquentielle asymétrique;
ligne
pointillée,
dissociation
séquentielle avec séparation initiale
des charges.
P(O)
P(O)
6.3.2. Capture multiple - Collisions avec des ions multichargés
Avec des ions multichargés de basse vitesse de collision (0.4 ua) nous sommes dans le
régime de capture électronique pure. Dans la réaction de capture multiple étudiée :
18 8+
O + CO2 → O(8-k)+**** + [(CO2)k+]* → cascades autoionisantes
k (= 2-8) électrons peuvent être capturés temporairement par l’oxygène dans des
configurations multiexcitées, la plupart d’entre eux étant réémis par autoionisation. La cible
multichargée se fragmente complètement ou partiellement par explosion coulombienne.
Nous avons abordé l’étude du couplage entre capture multiple d’électrons (spectres
d’énergie d’électrons émis par le projectile partiellement neutralisé) et excitation de la cible
(fragmentation). Une étude complète n’a pu être faite mais, à titre d’exemple, nous avons pu
étudier les corrélations triples entre la raie O6+(4l4l’) (voir spectre d’électrons, figure 4b) et le
spectre de fragmentation (figure 3).
(i) Ces corrélations permettent d’identifier le processus de capture. La configuration
O6+(4l4l’) pourrait être peuplée directement par capture de deux électrons ou par capture
multiple suivie d’une cascade autoionisante. La corrélation avec l’ion CO22+ ou deux
fragments chargés montre que la population de ces états est associée à un transfert de deux
électrons. D’après le modèle de la barrière de potentiel, la capture multiple ne dépend que des
potentiels d’ionisation de la cible et pas de sa nature, pour un ion donné. Ceci a été vérifié en
comparant les spectres d’électrons mesurés avec les cibles CO2 et Ar qui ont accidentellement
des potentiels d’ionisation successifs voisins (figure 4b). La fenêtre de réaction du modèle de
Niehaus pour la double capture, calculée pour la cible Ar (ligne pointillée ‘F’ sur la figure
4b), indique que celle-ci se produit dans la série de Rydberg 4lnl’, en accord avec le résultat
rapporté ci-dessus pour CO2.
25
+
C O
20
+
15
10
CO
300
+
250
+
O
200
25 20 15 10 5
TOF second fragment (channel)
5
FIGURE 3: Collision 18O8+-CO2 à 80 keV.
Processus de double capture. Triple corrélation
entre les électrons 4l4l’ détectés à 35°, et les
fragments chargés, d’après[6] .
150
150
200
250
300
TOF first fragment (channel)
99
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
(ii) Ces expériences en coïncidences multiples avec des cibles moléculaires permettent de
montrer très facilement que la capture multiple est très souvent accompagnée d’une excitation
de la cible, dont la signature est la fragmentation de la molécule. L’importance relative de la
capture avec ou sans excitation de la cible est un problème récurrent qu’il est difficile
d’étudier avec des cibles atomiques, dans des expériences de coïncidence charge de l’ion cible
résiduel – photon, à cause de la faible efficacité de détection des photons. L’étude de la
corrélation raie 4l4l’ – fragments (Fig. 3) montre, à titre d’exemple, qu’il est possible avec
une cible moléculaire d’obtenir facilement des résultats quantitatifs sur cette question et de
déterminer complètement l’état du système. D’après le spectre d’électrons, on sait que le
projectile est laissé dans l’état O7+(n=2) après la collision en émettant un électron 4l4l’. La
cible est majoritairement excitée ; 7% des réactions seulement correspondent à une double
capture laissant la cible dans l’état fondamental ou peu excité (corrélation entre la raie 4l4l’ et
CO22+, pas montrée ici) ; les autres réactions de capture sont associées à une excitation de
la cible dans des états dissociatifs : CO++O+ (58% ; KER (Kinetic Energy Release) = 7 eV) et
O++C++O (35% ; KER ≈ 7.5 eV). Les valeurs des KER et des rapports de branchement entre
ces voies de dissociation sont semblables à celles obtenues par double photoionisation par
d’autres auteurs, ce qui tendrait à montrer que les mêmes états de l’ion CO22+ sont
(accidentellement) excités dans ces deux types d’expériences ; cette excitation mesurée dans
les expériences de photoionisation est égale à environ 40 eV, valeur aussi prévue par le
modèle de la barrière de potentiel pour la réaction de capture étudiée dans nos expériences.
Ce travail original a été interrompu à la suite de la fermeture de l’accélérateur AIM.
6.4. Cibles moléculaires - Multifragmentation de molécules corrélée à
l’émission d’électrons - Molécule C60
6.4.1. Spectroscopie d’électrons – Collisions avec des ions multichargés
Il est bien connu maintenant, après les travaux de l’équipe de S. Martin à Lyon et de B.
Huber à Grenoble, que les réactions de capture avec des ions multichargés peuvent mettre en
jeu un grand nombre d’électrons qui peut être largement supérieur à la charge de l’ion si celleci est élevée. Nous avons mesuré le premier spectre d’électrons à Grenoble en juin 1999 [4]. Il
nous a permis de montrer qu’il était très sensiblement différent de ceux obtenus avec des
cibles atomiques ou même avec CO2 (comparer les figures 4a et 4b ) : des raies sont
superposées à un ‘continuum’ relativement intense. Quelques problèmes spécifiques à
l’interaction des ions multichargés avec la molécule C60 ont pu être abordés grâce à ce
spectre.
(i) L’analyse du spectre de raies nous a permis d’identifier, à l’aide de calculs faits avec le
code Cowan, les voies de double capture autoionisante : elle se produit dans des
configurations très excitées 7lnl’ et 6lnl’ [4] (voir insertion dans la figure 4a). Ces valeurs
élevées de n sont une conséquence des faibles potentiels d’ionisation de la molécule (modèle
de la barrière de potentiel). Le ‘continuum’ intense qui est observé résulte de la superposition
d’une infinité de cascades autoionisantes suivant la capture d’un nombre élevé d’électrons ;
les premières étapes de la cascade, correspondant à des transitions vers des continua
d’ionisation élevés, produisent en effet des électrons de faible énergie.
(ii) Une première expérience de corrélation entre ces électrons de faible énergie et le spectre
de temps de vol des ions de la cible a montré que la capture d’un nombre élevé d’électrons
était accompagnée de la destruction complète de la cage C60 [4], un résultat attendu.
(iii) Nos résultats donnent aussi quelques indications sur le mécanisme de neutralisation de
l’ion multichargé. L’identification des voies de la double capture exclut que l’ion multichargé
100
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
4
4n-3
4
a) C60
(5)
b) CO2, Ar
3
3
(12)
(7)
7n-6
7n-5
(9)
1
6n-5
CO2
L
2
L
1
Argon
L
x10
6n-4
(6)
x10
(4.4)
2
(4,6)
Cross section in the emitter frame (arb. units)
5
4
3
2
(4,5)
subisse une neutralisation complète rapide à l’approche de la molécule, modèle proposé par
certains auteurs par analogie avec l’interaction avec une surface (la molécule C60 est un
réservoir d’électrons peu liés). De même notre analyse du spectre d’électrons semble montrer
qu’un modèle ‘statique’, déjà utilisé avec succès pour comprendre la capture électronique
F
1
10
0
1
-1
0
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180
400
600
800
(3)
Electron energy in the emitter frame (eV)
L
(2)
0
20
(4)
L
40
60
L
80 100 120 140 160 180
(2)
400
2
1s2n-1s
(2,n)-1
L
(4,n)-2
(4,n)-3
(5)
L
(3,n)-2
600
800
Electron energy in the emitter frame (eV)
FIGURE 4: Comparaison des spectres d’électrons mesurés dans les collsiions 18O8+-C60 (fig. 4a) et
CO2, Ar (fig. 4b) à 80 keV, 35°, d’après [10]. Notations abrégées pour les transitions autoionisantes
des séries de Rydberg He-like, par exemple: (7lnl’ → 5l +e- ) est noté 7n-5; entre parenthèses sont
données des valeurs de n. ‘F’ (fig. 4b): fenêtre de réaction pour la double capture dans Ar (modèle
de Niehaus). Quelques termes de la série 4lnl’ sont identifiés, notés (4,n).
avec des cibles atomiques (et aussi CO2 : fig. 4b) et dans lequel capture et relaxation par
autoionisation sont découplées (cascades autoionisantes après la collision), est compatible
avec nos résultats. A l’inverse le seul modèle théorique existant (U. Thumm, Univ. Kansas)
envisage une capture ‘dynamique’, avec succession de captures et déclins autoionisants (dès
que deux électrons sont capturés) lorsque l’ion s’approche de la molécule ; une stabilisation
finale par cascade autoionisante se produit après la collision, lorsque l’ion s’est éloigné de la
molécule. Dans la version ultime de ce modèle, il a cependant été montré que la contribution
post-collision est majoritaire à notre vitesse de collision, en accord avec notre analyse de la
structure du spectre d’électrons.
D’autres expériences auraient été nécessaires pour appprofondir la compréhension de la
structure du spectre d’électrons et la corrélation avec l’état de charge de la cible, ou sa
fragmentation. La fermeture de l’AIM ne l’a pas permis.
6.4.2. Modes de fragmentation et énergie déposée - Collisions avec des ions monochargés
Après la fermeture de l’accélérateur AIM, l’étude de la molécule C60 a été poursuivie
avec des ions monochargés sur notre accélérateur de Toulouse. Ce travail constitue le travail
de thèse de A. Rentenier. Les systèmes collisionnels Hn+(n=1-3) et Heq+ (q=1,2) – C60 sont
étudiés entre 2 et 130 qkeV.
Une grande variété de résultats peuvent être obtenus à partir de ces sytèmes
collisionnels. Deux exemples seront seulement brièvement présentés.
(i) Le premier concerne les modes de fragmentation. La difficulté de cette étude réside dans le
grand nombre de fragments chargés (et de neutres) qui peuvent être éjectés, ce qui implique le
développement d’une technique de coïncidences multiples. Un important effort a donc été fait
101
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
pour améliorer les efficacités de transmission et de détection des électrons et des fragments
chargés afin de pouvoir étudier les corrélations multiples entre 2, 3, 4 voire 5 particules
chargées. Les exemples de la figure 5 illustrent la complexité de l’analyse de la fragmentation
de cette molécule. Ces réactions correspondent à des ionisations multiples de la molécule C60
avec formation d’un ion multichargé excité instable qui se fragmente après la collision. Ces
spectres n’ont pas été obtenus en corrélation avec les électrons mais tous les processus
discutés ici sont accompagnés d’émission d’électrons.
3+
80
C54
a)
2+
60
3+
C50
C52
2+
C54
3+
40
Intensité (unit.arb.)
2+
C52
3+
C50
C56
2+
C48
20
2+
C56
FIGURE 5:
Exemple de corrélation multiple entre fragments
chargés dans la collision H+-C60 à 50 keV; les
spectres sont corrigés des fausses corrélations
liées à l’efficacité de détection.
0
50
a) Coïncidence double: spectre de temps de vol
associé à l'émission de C4+ dans le cas de
l'émission de 2 ions .
b)
40
+
+
30
C3
C5
+
C7
+
C11
+
C6
20
b) Coïncidence triple: spectre de temps de vol
global associé à l'émission de C4+ dans le cas de
l'émission de 3 ions.
+
C8
10
0
600
800
1000
1200
1400
1600
Temps de vol (n° de canal)
Le résultat de la figure 5a donne un exemple de fission où l’émission de 2 ions chargés
est accompagnée ou non d’une émission de fragments neutres (non mesurés), probablement
des groupes de C2 :
(1)
H+ + C60 → (C60)3+ + 3 e- → C4+ + Cm2+ (m = 48-56) + k C2° (k = 4 – 0)
(2)
→ (C60)4+ + 4 e- → C4+ + Cm3+ (m = 50-56) + k C2° (k = 3 – 0)
La destruction de la molécule est partielle.
A l’inverse, l’émission de 3 fragments chargés (figure 5b) est probablement
accompagnée de la destruction complète de la molécule ; l’émission de C4+ est seulement
corrélée à l’émission de fragments légers chargés (détectés) et de neutres (non détectés)
(figure 5b). La charge de l’ion intermédiaire est égale à 3 (pas de fragments multichargés
émis) comme dans (1) ; cette réaction décrit donc une autre voie de dissociation de l’ion
(C60)3+ excité :
(3)
H+ + C60 → (C60)3+ + 3 e-→ Cm+ (m = 3–11) + Cm’+ (m’ = 3–11) + C4+ + neutres
Une analyse plus détaillée des spectres de multi-corrélation permet d’identifier les 3
fragments chargés ; par exemple, les processus les plus probables observés sont les voies de
sortie C4++C5++C7+ et C4++C5++C3+ (spectres bi-dimensionnels non montrés ici).
(ii) Si l’analyse en multi-corrélation permet l’étude d’un grand nombre de réactions
individuelles, une analyse globale des spectres de fragmentation (sommés sur toutes les voies
de corrélation) permet d’atteindre une compréhension plus générale des interactions et du
comportement de la molécule C60. L’étude de la formation de C60-2nq+ correspondant à
l’évaporation de (nC2) a montré dans la collision avec des protons [8] (travail effectué en
102
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
collaboration avec plusieurs laboratoires ) que cette fragmentation résultait d’une excitation
a)
b)
0,10
0,20
0,10
0,15
0,08
Relative yield
c)
0,12
0,06
0,04
0,10
0,08
0,02
0,05
0,06
0,00
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
collision velocity (au)
a')
0,12
0,10
0,10
0,12
0,06
0,08
0,04
0,08
0,02
0,00
FIGURE 6:
Exemple de loi d’échelle pour la
multifragmentation (production de
Cn+) en fonction de la section
efficace d’arrêt (énergie déposée),
d’après [9].
a,a’)-b,b’) et c,c’): n = 1, 7 et 11
respectivement.
H+: points; H2+: carrés; H3+: étoiles;
He+: cercles.
c')
0,20
0,16
0,08
Relative yield
b')
0,06
10
20
30
40
0,04
10
20
30
10
40
-15
20
30
40
2
total stopping cross section (10 eV.cm /atom)
électronique de la cible suivie d’un couplage avec les modes de vibration. A l’inverse le
groupe de Morgenstern à Gröningen semblait avoir mis en évidence, avec les ions He+, une
excitation directe du mode vibrationnel. Nous avons alors effectué d’autres expériences
(coïncidence e--fragments) avec divers ions monochargés (Hn+ (n=1-3) et He+) pour
comprendre ces divergences, dans une gamme de vitesses de collision étendue (0.2-2 ua). Une
analyse des spectres de temps de vol a révélé que leur forme (poids relatif de l’ionisation,
évaporation et multi-fragmentation) dépendait fortement de la vitesse de collision et de la
nature du projectile. A l’inverse, il a pu être établi qu’une description unifiée pouvait être
atteinte avec un seul paramètre, l’énergie déposée par la particule rapide dans la molécule [9].
Dans le cas particulier de l’évaporation, ce résultat est en contradiction avec l’interprétation
du groupe de Gröningen rappelée ci-dessus puisque la contribution d’excitation directe des
modes de vibration par collisions entre les noyaux, est trouvée négligeable dans notre gamme
de vitesse de collisions ; il confirme par contre l’analyse faite dans [8]. La dépendance avec
l’énergie déposée est illustrée sur la figure 6 pour trois canaux de multi-fragmentation. La
grande dispersion des résultats obtenus avec différents ions à une même vitesse de collision
(Fig. 6a-c) se transforme en une courbe unique en fonction du pouvoir d’arrêt (énergie
déposée, Fig. 6a’-c’) ; celui-ci a été calculé avec le code SRIM en assimilant la molécule de
C60 à une feuille de carbone [9].
L’assimilation d’une molécule C60 à une feuille mince de carbone peut être contestée
même si elle est couramment utilisée. C’est pourquoi nous avons directement calculé
l’énergie déposée par un proton en utilisant le modèle du gaz d’électrons de Lindhard [Mat.
Fys. Medd. K Dan. Vidensk. Selsk. 34 (1964)] et la densité électronique de cette molécule
calculée avec le modèle du jellium par Puska et Nieminen [Phys. Rev. 47 (1993) 1181]. Nous
avons ainsi pu démontrer que la section efficace d’arrêt (proportionnelle à l’énergie déposée)
était tout à fait semblable à celle mesurée avec une feuille mince de carbone par d’autres
auteurs (Fig. 7 et [11]), un résultat qui confirme notre analyse précédente.
103
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
Stopping cross section
-15
2
(10 eV.cm /atom)
16
FIGURE 7:
Comparaison
des
sections
efficaces d’arrêt par atome
calculées pour la molécule C60
(trait continu) et mesurées pour un
feuille mince de carbone (points),
d’après [11].
14
12
10
8
6
4
2
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Velocity (au)
6.5. Projets
6.5.1. Interactions ions – fullerène
C’est un projet développé sur notre accélérateur (2-150 kV) de Toulouse. Il concerne
les travaux de la thèse de Arnaud Rentenier commencée en septembre 2000 qui portent sur
«Etude de l’ionisation et de la fragmentation de la molécule C60 dans des collisions avec des
ions faiblement chargés (Hn+(n=1-3) et Heq+ (q=1,2)), en corrélation avec l’émission
d’électrons ». Les données que l’on peut extraire de ces collisions sont très nombreuses et très
variées, par exemple : fragmentation et énergie déposée, rapports de branchement entre
évaporation et fission asymétrique, température de la molécule avant fragmentation,
mécanismes de fragmentation multiple, fragmentation retardée provenant d’états métastables,
identification des voies associées ou non à l’émission d’électrons, spectres d’électrons
corrélés aux diverses voies de fragmentation / ionisation, sections efficaces d’ionisation, de
transfert-ionisation et de capture, distributions angulaires des électrons (une étude théorique
portant sur l’interaction H+ -Nan par Gross et Guet [Phys. Rev. A 54 (1996) R2547] prédit
une forte anisotropie, avec émission des électrons dans le sillage du proton), etc.. Un grand
nombre de données ont déjà été accumulées mais leur analyse est complexe et ne fait que
commencer.
Cette analyse est faite en liaison avec un groupe de théoriciens : F. Martín (Madrid),
P.A. Hervieux et J. Hanssen (Metz), M.F. Politis (Paris 6). Ceux-ci mènent actuellement des
calculs d’énergie de liaison et d’activation dans le cas d’émission de C2 et C2+ qui nous
permettront de remonter à la température de la molécule avant fission asymétrique (émission
C2+) ou évaporation (C2). Ils cherchent aussi à calculer les modes de fragmentation de la
molécule en fonction de sa température. Par ailleurs la comparaison des sections efficaces
mesurées et calculées dans le sytème He2+-C60 permettra de valider leur description théorique
de ce système collisionnel complexe.
6.5.2. Etude et production d’endofullerènes par implantation d’ions
Soutien financier
Ce projet a bénéficié d’une aide spécifique du département SPM en avril 2001 qui a
permis son démarrage. L’expérience est en cours de construction.
Contexte scientifique :
Le dopage du C60 par un atome a attiré la curiosité des chercheurs depuis la découverte
des fullerènes et leur commercialisation (1991). Le dopage interne des fullerènes a longtemps
été lié aux techniques de production de ces fullerènes (arc électrique, vaporisation laser) et
donc essentiellement limité au dopage par des métaux (métallofullerènes). Des expériences de
collisions ont par ailleurs révélé la possibilité de piéger un atome X quelconque pourvu que sa
104
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
taille soit compatible avec celle de la cage C60 (X = métaux, alcalins, gaz rares, molécules,…).
Toutes ces expériences de dopage ne fournissent pas des quantités macroscopiques
d’endofullerènes (au maximum 0.1% de molécules dopées dans les cas les plus favorables) ;
ces nouveaux objets ne peuvent donc pas être étudiés de manière approfondie. Les études
réalisées jusqu’ici ont cependant montré l’intérêt de ces nouvelles molécules qui, outre leur
stabilité à l’air libre, ont des propriétés différentes de celles du C60 et de l’atome dopant, pris
isolément : création de liaisons à l’intérieur de la cage avec les métaux dopants entraînant un
transfert d’électrons de l’atome de métal X à C60, rendant celui-ci conducteur, modifiant ses
propriétés chimiques ; en outre le comportement chimique de l’atome piégé est aussi modifié,
la cage du fullerène écrantant cet atome qui ne réagit plus avec l’environnement (exemple de
N). Quatre équipes ont envisagé, depuis 1996, la possibilité de produire des quantités
macroscopiques par une technique apparentée à l’implantation d’ions sur une surface : M.
Saunders aux USA ; E.E.B Campbell au laboratoire de I.V. Hertel au Max Born Institut de
Berlin ; A. Weidinger au Hahn Meitner Institut à Berlin ; S. Lin au Shangai Institute of
Nuclear Research. L’équipe de Campbell a montré qu’un taux de dopage important pouvait
être obtenu dans certains cas : 30% avec le lithium, résultat confirmé en 1998 par l’équipe
chinoise.
Il faut donc retenir que ces molécules dopées sont un nouveau sujet d’étude pour la
physique et et la chimie fondamentales. Ces nouveaux objets sont aussi potentiellement
porteurs d’applications. Le défi à relever est d’abord leur production en quantité
macroscopique qui pourra permettre leur étude ultérieure.
Notre projet :
Il s’agit de produire certaines de ces molécules en quantité macroscopique pour ensuite
les étudier avec nos techniques de collision (ou par d’autres techniques si d’autres équipes
sont intéressées). Nous avons donc lancé le projet « Etude et formation des endofullerènes par
implantation d’ions ». Son développement bénéficiera de l’aide de plusieurs équipes du
laboratoire CAR: équipe ‘Ions-Surface’ dirigée par C. Benazeth et M. Richard-Viard, équipe
‘Structure, dynamique et thermodynamique des agrégats’ dirigée par P. Labastie.
Premiers essais (début 2002) :
La chambre de dopage est en cours de montage. Les premiers essais vont porter sur le
dopage par du lithium : cas le plus favorable pour le taux de dopage (30%), d’après les
résultats de Campbell et alii et de Gong et alii ; simplicité de la mise en œuvre (source =
pastille de lithium, pas de filtre de masse nécessaire). Ils nous permettront de tester la
méthode et de mettre en place les procédures de travail. Diverses caractérisations par
désorption associée à une spectroscopie de masse par temps de vol sont possibles:
désorption induite par bombardement d’ions ; désorption thermique ; désorption par laser.
Seule cette dernière technique sera mise en œuvre lors des premiers essais, en collaboration
avec l’équipe de P. Labastie.
Collaborations extérieures au laboratoire CAR:
Ce projet est atypique parce qu’il est à la frontière entre plusieurs disciplines et qu’il
implique de développer des collaborations multiples inter-labos pour la caractérisation du
produit. Il n’a été envisagé que parce qu’il existait sur le campus de Toulouse le Réseau des
Nanotubes Toulousain (RNT), auquel nous appartenons, qui s’intéresse aux nanotubes et
fullerènes, et qui réunit des physiciens et des chimistes (8 laboratoires). Dès à présent nous
savons que M. Monthioux (CEMES : Centre d’élaboration des matériaux et d’études
structurales) pourra apporter les techniques de microscopie électronique, W. Bacsa (lab. de
Physique des Solides) la spectro Raman, … La séparation des molécules dopées et non
105
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
dopées du substrat contenant en particulier les ions dopants ainsi que la concentration en
molécules dopées par chromatographie, si nécessaire, implique une collaboration avec des
chimistes qui sera facilitée par la présence de chercheurs du CIRIMAT (Centre
interuniversitaire de recherche et d’ingéniérie des matériaux) dans le RNT.
Evolution:
La chambre de dopage sera connectée à notre accélérateur pour mettre au point la
désorption induite par impact de protons associée à un spectromètre de masse par temps de
vol. Lorsque le dopage par le lithium sera optimisé, nous mettrons au point la séparation /
concentration des molécules dopées ainsi que la caractérisation par d’autres méthodes
évoquées ci-dessus. Nous pourrons aussi commencer l’étude de cette nouvelle molécule par
nos techniques collisionnelles (production d’un jet-cible de Li@C60).
Dans une deuxième étape nous étudierons le dopage par d’autres espèces:
(i) Il est prévu d’étudier les collisions ions multichargés – C60, à très faible vitesse de
collision, sur la future ligne basse énergie du projet LIMBE II de Caen. Ces expériences nous
permettront de déterminer l’influence de l’état de charge de l’ion sur la création d’une
‘fenêtre‘ dans la cage de la molécule C60 et sur la probabilité de piégeage. Elles se feront en
collaboration avec B. Huber (CIRIL, Caen) qui mettra à notre disposition son spectromètre de
temps de vol haute résolution.
(ii) Après les premières expériences avec le lithium, nous envisageons l’étude à Toulouse du
dopage par d’autres atomes / molécules. Cela implique l’acquisition d’un matériel plus
polyvalent pour lequel nous devrons trouver un financement: source d’ions permettant
d’obtenir des faisceaux variés d’ions dopants de faible énergie (gaz rares, métaux, …),
création d’une mini-ligne de faisceau d’ions dopants incluant une optique et un spectromètre
de masse.
6.5.3. Interaction protons – molécules biologiques
Des contacts avec l’équipe de M. Farizon (IPN, Lyon) lors du GDR Agrégats (mai
2000, Orsay) ont permis de définir notre participation à leur projet (apport de la spectroscopie
d’électrons) ; il sera développé en collaboration avec l’équipe de T.D. Märk (Univ.
Innsbrück). C’est un sujet très intéressant et très nouveau qui impliquera que nous
construisions un spectromètre d’électrons et que nous fassions des expériences à Lyon. Une
communication de A. Chetioui à la réunion du réseau européen LEIF (Low Energy Ion
Facility) en octobre 2000 à Berlin a montré tout l’intérêt qu’il pouvait y avoir à connaître le
spectre d’énergie des électrons émis lors d’une irradiation: influence des avalanches
d’électrons secondaires sur la rupture de certaines liaisons et la mort des cellules. L’effet des
électrons sera mesuré directement dans des expériences complémentaires de collisions
électrons – molécules biologiques par T.D. Märk et son équipe à Innsbrück. L’expérience de
M. et B. Farizon est en cours de construction. Des expériences de pure spectroscopie
d’électrons sont aussi prévues sur notre accélérateur. Compte tenu des projets en cours décrits
précédemment, notre collaboration ne deviendra effective qu’au cours de l’année 2003 (après
la soutenance de la thèse de A. Rentenier). Plusieurs rencontres entre les deux équipes ont
déjà eu lieu.
6.5.4. Divers projets en collaboration avec le CIRIL à Caen
6.5.4.1. Endofullerènes
Ce projet a déjà été évoqué ci-dessus (§ 5.2) ; il fait partie du développement de notre
projet ‘endofullerènes’.
106
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
6.5.4.2. Multifragmentation C60 par des ions multichargés (P. Moretto-Capelle)
Il s’agit de détecter en coïncidence les fragments C60 et les ions diffusés avec une
technique de détection ‘multihits-multistops’ des fragments. Projet en collaboration avec le
CIRIL et le Groupe de Physique des Matériaux de Rouen. Notre apport: sujet et interprétation
+ technique (nous avons déjà fourni le four pour le jet C60, et un analyseur électrostatique
pour analyser les projectiles diffusés). La détection est fournie par Rouen. Les expériences et
l’acquisition seront réalisées par les équipes du CIRIL et de Rouen.
6.5.4.3. Emission électronique induite par impact d'ion rapide sur H2 (P. MorettoCapelle)
Ce projet se propose d’étudier la distorsion de l’émission électronique liée à
l’orientation de la molécule H2. Il est envisagé de mesurer, dans le repère de la molécule,
l’émission électronique induite par impact d'ions C6+ de forte vitesse (13,7 MeV/u) sur
l'hydrogène moléculaire H2. Un instrument intégrant des techniques d'imagerie permettant de
révéler la dynamique de la dissociation d'une molécule ayant perdu un ou plusieurs électrons a
été développé par le CIRIL. Ce dispositif est un détecteur 4π-multi particules (ions,
électrons). Le double spectromètre de vitesse conçu pour cette étude réunit les techniques de
détection sensible en position, de temps de vol et de coïncidence, des deux types de particules
chargées: protons et électrons. Notre équipe (P. Moretto-Capelle) sera associée à l’analyse /
interprétation des résultats obtenus.
6.6. Collaborations
Notre équipe est membre associé du réseau européen LEIF (Low Energy Ion beam Facilities,
2000-2004). Elle collabore avec plusieurs laboratoires toulousains au sein du Réseau des
Nanotubes Toulousain. Elle appartient au GDR 2107 "Agrégats: dynamique et réactivité".
Interaction ions – fullerènes :
-
Théoriciens: F. Martín (Departamento de Química, Univ. Autónoma, Madrid); P.A.
Hervieux et J. Hanssen (lab. de Physique Moléculaire et des Collisions, Univ. Metz); M.F.
Politis (GPS, Paris 6)
- Expérimentateurs: B. Huber et H. Lebius (CIRIL, Caen; voir [4, 8] ); équipe de H.O. Lutz
(Fakultät für Physik, Univ. Bielefeld; voir [8] ); équipe de H. Cederquist (Atomic Physics,
Stockholm Univ.; voir [8] ).
Projet ‘Endofullerènes’ :
-
laboratoire CAR: équipe de C. Benazeth et M. Richard-Viard, équipe de P. Labastie.
Réseau des Nanotubes Toulousain: M. Monthioux (CEMES); W. Bacsa (LPST).
B. Huber (CIRIL, Caen).
Projet ‘Molécules biologiques’ :
Equipe de M. Farizon (IPN Lyon); équipe de T.D. Märk (Univ. Innsbrück, Autriche)
Autres projets:
A. Cassimi (CIRIL, Caen); Groupe de Physique des Matériaux de Rouen
107
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
6.7. Publications
6.7.1. Publications dans revues avec comité de lecture
[1]
P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu, A. Bordenave-Montesquieu, and M.
Benhenni, J. Phys. B 31 (1998) L423-30 "Electron capture and transfer-ionization
processes in 4He2++Ar at 12.5 keV/amu."
[2]
A. Bordenave-Montesquieu, P. Moretto-Capelle and D. Bordenave-Montesquieu,
Physica Scripta T80 (1999) 372-4 "Experimental positions and lifetimes of Be-like
1s23lnl' (n=3 to 5) states of O4+ and Ne6+ ions investigated by high resolution electron
spectroscopy: test of calculations."
[3]
P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu and A. Bordenave-Montesquieu,
Physica Scripta T80 (1999) 118-20 "Multiple capture investigated by coincident
electron spectroscopy in X7++Ar, at 70 keV."
[4]
A. Bordenave-Montesquieu, P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu, H. Lebius
and B. A. Huber, J. Phys. B 33 (2000) L357-65 "Hollow ion formation studied by
electron spectroscopy of 18O8+-C60 at 4.4 keV/amu."
[5]
A. L. Godunov, P. B. Ivanov, V. A. Schipakov, P. Moretto-Capelle, D. BordenaveMontesquieu, and A. Bordenave-Montesquieu, J. Phys. B 33 (2000) 971-99 "Excitation
of autoionizing states of helium by 100 keV proton impact. II. Excitation cross sections
and mechanisms of excitation."
[6]
P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu and A. Bordenave-Montesquieu, J.
Phys. B 33 (2000) L735-42 "Dissociative double capture in 18O8++CO2 collision."
[7]
P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu and A. Bordenave-Montesquieu, J.
Phys. B 33 (2000) L539-46 "Fragmentation of CO2 into C++O++O, in collisions with
protons."
[8]
J. Opitz, H. Lebius, S. Tomita, B. A. Huber, P. Moretto-Capelle, D. BordenaveMontesquieu, A. Bordenave-Montesquieu, A. Reinköster, U. Werner, H. O. Lutz, A.
Niehaus, M. Benndorf, K. Haghighat, H. T. Schmidt, and H. Cederquist, Phys. Rev. A
62 (2000) 022705 "Electronic excitation in H+-C60 collision: evaporation and
ionization."
[9]
D. Bordenave-Montesquieu, P. Moretto-Capelle, A. Bordenave-Montesquieu, and A.
Rentenier, J. Phys. B 34 (2001) L137-46 "Scaling of C60 ionization and fragmentation
with the energy deposited in collisions with H+,H2+,H3+ and He+ ions (2–130 keV)."
[10] P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu and A. Bordenave-Montesquieu,
Physica Scripta T92 (2001) 57-60 "Interaction of multicharged ions with molecules
(CO2, C60) by coincident electron spectroscopy."
[11] P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu, A. Rentenier and A. BordenaveMontesquieu, J. Phys. B 34 (2001) L611-6 "Interaction of protons with the C60
molecule: calculation of deposited energies and electronic stopping cross sections (v
<= 5 au)."
[12] A. Bordenave-Montesquieu, P. Moretto-Capelle and D. Bordenave-Montesquieu, Phys.
Rev. A (2002), accepté pour publication "Comment on 'Experimental study of singleand double-electron transfer in slow Ne8+ + He collisions using photon and electron
spectroscopy'."
108
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
[13] A. Bordenave-Montesquieu, P. Moretto-Capelle and D. Bordenave-Montesquieu, J.
Phys. B (2002), à soumettre "High-resolution electron spectroscopy of the 1s23lnl' Belike series in oxygen and neon. Test of theoretical data. I- General considerations."
[14] A. Bordenave-Montesquieu, P. Moretto-Capelle and D. Bordenave-Montesquieu, J.
Phys. B (2002), à soumettre "High-resolution electron spectroscopy of the 1s23lnl' Belike series in oxygen and neon. Test of theoretical data. II- Experimental results."
6.7.2. Conférences invitées (orateur souligné)
P. Moretto-Capelle, 9th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions
(Bensheim, Allemagne, 1998): « Multiple capture investigated by coincident electron
spectroscopy in X7++Ar, at 70 keV »
P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu et A. Bordenave-Montesquieu, Colloque de
la division de physique atomique, moléculaire et optique de la SFP (PAMO 2000,
Villeurbanne, juillet 2000): « Emission d’électrons et fragmentation dans les collisions
ions-C60 »
P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu et A. Bordenave-Montesquieu, 10th Int. Conf.
Physics of Highly Charged Ions (Berkeley, USA, août 2000): “Interaction of multicharged
ions with molecules (CO2, C60) by coincident electron spectroscopy”
P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu, A. Rentenier et A. Bordenave-Montesquieu,
11th International Seminar on Ion-Atom Collisions (ISIAC) (Ensenada, Mexique, 2001):
« Deposited energy and fragmentation of C60 induced by ion impact. »
6.7.3. Séminaires / Communications orales
A. Bordenave-Montesquieu, séminaire au lab. Collisions Atomiques (Talence, 1998): « Etude
de la double excitation dans la collision p+He à 100 keV »
P. Moretto-Capelle, séminaire au lab. Collisions Atomiques (Talence, 1998): « Collision ion
multichargé – cible lourde: étude de la capture multiple par une technique de coïncidence
électron – ion de recul »
A. Bordenave-Montesquieu, séminaire au CIRIL (Caen, janvier 1999): « Sur la fiabilité des
sections efficaces de capture dans les collisions avec des ions multichargés »
P. Moretto-Capelle, séminaire au CIRIL (Caen, mars 1999): « Collision ion-molécule:
ionisation et fragmentation de CO2 par impact de protons »
P. Moretto-Capelle, séminaire au LCAM (Orsay, mars 1999): « Collision ion-molécule:
ionisation et fragmentation de CO2 par impact de protons »
P. Moretto-Capelle, communication à l’atelier ‘Excitation et fragmentation des agrégats par
collision’ (GDR Agrégats; Paris, mai 1999) « Ionisation et fragmentation de CO2 par
impact de protons »
A. Bordenave-Montesquieu, communication aux Journées sur la Physique des Ions
Multichargés (PIM99, Toulouse, septembre 1999): « Mesure des positions et durées de vie
des états singulets de la série 1s23lnl’ (n=3-5) de l’oxygène et du néon par spectroscopie
d’électrons haute résolution: test des valeurs calculées »
D. Bordenave-Montesquieu, communication aux Journées sur la Physique des Ions
Multichargés (PIM99, Toulouse, septembre 1999): « Capture et fragmentation dans les
109
Spectrométrie d’électrons dans les collisions
collisions ions (H+, H2+, H3+ et O8+)-C60 par une technique de coïncidence électronsfragments »
P. Moretto-Capelle, communication aux Journées sur la Physique des Ions Multichargés
(PIM99, Toulouse, septembre 1999): « Ionisation et fragmentation dans les collisions H+,
O8+-CO2 par une technique de coïncidence électrons – ions de recul »
A. Bordenave-Montesquieu, séminaire au CELIA (Bordeaux, octobre 1999): « Spectroscopie
d’électrons dans les collisions ions-atomes, molécules »
P. Moretto-Capelle, séminaire au CIRIL (Caen, novembre 1999): « Collision ions – C60:
premiers résultats »
A. Bordenave-Montesquieu, GDR Agrégats: Dynamique, Réactivité (Orsay, mars 2000):
« Fullerènes et endofullerènes: émission d’électrons et fragmentations dans les collisions
avec des ions »
A. Rentenier, 7èmes Rencontres Jeunes Chercheurs, Physique Nucléaire – Agrégats (Aussois,
décembre 2001): « Fragmentation du C60 induite par collision ».
P. Moretto-Capelle, séminaire à IPN (Lyon, janvier 2002) : « Dépôt d’énergie et
fragmentation dans les collisions ions-C60 (domaine du keV) ».
6.7.4. Posters
9th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions (Bensheim, Allemagne,
1998).
Ecole thématique Détection temps - position – image (Gif sur Yvette, novembre 1999).
GDR Agrégats: Dynamique, Réactivité (Orsay, mars 2000)
Colloque de la division de Physique Atomique, Moléculaire et Optique de la SFP
(PAMO2000, Villeurbanne, juillet 2000).
10th Int. Conf. on the Physics of Highly Charged Ions (Berkeley, USA, août 2000).
7èmes Rencontres Jeunes Chercheurs, Physique Nucléaire – Agrégats (Aussois, déc.2001).
110
7. Interactions Ion - Surface
Composition de l’équipe
Responsables :
Claude Bénazeth, PR
Martine Richard-Viard, CR
Permanents :
Claude Bénazeth, PR
Pierre Benoit-Cattin, PR émérite
Pierre Cafarelli, MCF
Pierre Reynes, TR jusqu’à septembre 99 (retraite)
Martine Richard-Viard, CR
Jean-Pierre Ziesel, DR
Doctorants
Saïd Abidi, bourse marocaine, novembre 1997 à juin 2000
Nicolas Nieuwjaer, bourse d’allocataire du MEN, à partir de septembre 2001
Visiteurs :
Contrat CMEP (1997-2000) avec Univ. Sci. et Techn. Houari Boumedienne, Alger, Algérie
Bahia Arezki (1 mois 98)
Mohamed Boudjema (1 mois en 1998, 2 mois en 1999, 2 mois en 2000 et 2 mois en
2001)
Ahmed Chafik (1 mois en 1998)
Mohand Hamhami (2 mois en 1998 et 2 mois en 1999)
Akila Hidouche (1 mois en 1999)
Karima Khalal-Kouache (2 mois en 99, 2 mois en 2000, 1 mois en 2001)
Reda Zemih (1 mois en 1999, 1 mois en 2000 et 1 mois en 2001)
ECOS France-Chili en collaboration avec le LPTM de Bordeaux
P. Haberlé (1 mois en 2000 et 1 mois en 2001) Univ.Techn. Frederico Santa Maria,
Valparaiso
M. Flores (3 mois en 2001) Univ.Techn. Frederico Santa Maria, Valparaiso
Stagiaires :
Patrick Bringel, DESU (1 an en 1997-98)
Benoit Labit, Maîtrise (3 mois en 1998)
Martin Rindsfüßer, DiplomArbeit (6 mois en 1998-99)
Emmanuel Dumons, Maîtrise (3 mois en 1999)
Benoit Albouy, Maîtrise (3 mois en 1999)
Sarah McGall, Erasmus (2 mois en 2000)
Jean-François Veyan, DEA (4 mois en 2000)
Karim Piquemal, Maîtrise (3 mois en 2000)
Pascal Calvo, Maîtrise (3 mois en 2000)
Olivier Pujol, Maîtrise (3 mois en 2001)
Nicolas Nieuwjaer, DEA (4 mois en 2001)
111
Interactions Ion - Surface
7.1. Description de l'activité scientifique 1998-2001
Les travaux expérimentaux menés dans le groupe Interactions Ion-Surface sont centrés
sur l’étude des processus électroniques (excitation, transfert de charge …) qui ont lieu lors de
la diffusion d’une particule chargée, d’énergie comprise entre 2 et 50 keV, sur une surface.
Les processus d’échange de charge entre le projectile et la surface susceptibles d’intervenir
peuvent être divisés en deux catégories : les processus dans lesquels interviennent les
propriétés globales de la surface, c’est-à-dire des interactions ‘non localisées’ avec l’ensemble
des électrons du solide (bandes d’énergie, travail de sortie..) et les processus collisionnels
entre le projectile et les sites atomiques de la cible, c’est-à-dire des interactions ‘localisées’
comparables aux collisions atome-atome en phase gaz, la surface jouant cependant un rôle
important en élargissant et déplaçant les niveaux énergétiques du projectile. Suivant la nature
du projectile (masse, électronégativité, énergie d’ionisation…), la nature de la cible
(métallique ou isolante, amorphe ou cristalline…), les conditions d’interaction (énergie du
projectile, angle d’incidence…) certains processus deviennent dominants, d’autres entrent en
compétition. L’analyse détaillée de ces interactions permet de caractériser les surfaces,
d’analyser leur composition, leur structure mais aussi leur nature électronique, différente de
celle du volume.
Parallèlement à ces travaux expérimentaux nous effectuons des simulations
numériques de trajectoires qui se révèlent indispensables pour la compréhension des résultats
observés et la validation des mécanismes invoqués.
Nos travaux ont porté sur :
• Echange de charge au cours de l'interaction d'ions monoatomiques avec des surfaces
d'halogénures d'alcalins
• Echange de charge au cours de l'interaction d'ions monoatomiques avec une surface
monocristalline Ag (110) - travail en cours • Modélisation de la diffusion d’hydrogène atomique sur Ag(110) en utilisant la
théorie de la fonctionnelle de la densité - travail en cours • Calcul des pertes d’énergie inélastiques
• Etude systématique du coefficient de réflexion d’ions par des surfaces solides à basse
énergie. Application à l’échange de charge résonnant
• Amélioration de l'adhérence du cuivre sur des matériaux composites carbone – époxy
• Etude de la compétition entre processus Auger et excitation de plasmon de surface
dans la neutralisation d’ions incidents sur une surface Ag (111).
7.1.1. Echange de charge lors de l'interaction d'ions monoatomiques avec des surfaces
monocristallines d'halogénures alcalins
Les transferts de charge dans les collisions d'ions sur des surfaces métalliques ont fait
l'objet de nombreux travaux ces vingt dernières années. Depuis quelques années, ces études
ont été étendues à des surfaces isolantes (halogénures alcalins en particulier), car la différence
de structure électronique (grand gap et bande de valence étroite) doit conduire à des processus
d'échange différents.
Les premiers travaux du groupe sur ce type de cible ont commencé en 1996 et ont porté
sur l’étude comparée des transferts de charge entre le projectile atomique D+ et les projectiles
moléculaires D2+ et D3+sur NaCl (110), et plus particulièrement sur le lien entre
neutralisation et dissociation [4]. Dès 1998, dans le but de mieux cerner la spécificité de la
cible, l’étude a été limitée à des projectiles atomiques, de masse voisine (conditions
cinématiques quasi semblables) mais de propriétés électroniques différentes. Pour un angle
d’incidence moyen (environ 30° par rapport à la surface) l’interprétation des pertes d’énergie
112
Interactions Ion - Surface
et des transferts de charge subies par le projectile reste difficile, alors que les variations en
fonction de l’angle azimutal d’incidence des fractions de charge des particules de recul
permettent de conclure qu’elles résultent d’un schéma à deux étapes : la particule de recul est
produite par une collision binaire du projectile avec un atome de la surface, son état de charge
dépendant ensuite des interactions électroniques qu’elle subit sur sa trajectoire de sortie [5].
Afin de minimiser la contribution des collisions proches du projectile avec les atomes
de la cible, qui compliquent les phénomènes de transfert de charge, cette étude s’est
poursuivie en incidence rasante sous des angles d’incidence variant entre 1 et 3 ° par rapport à
la surface. Une analyse systématique des distributions énergétiques, angulaires et des
fractions de charge en fonction des différents paramètres a fait l'objet de la thèse de S. Abidi
soutenue en juin 2000.
Dans le cas d’ions de 4 keV sous une incidence rasante de 2°, aucun projectile ne
pénètre à l'intérieur du solide (5 eV seulement d'énergie perpendiculaire à la surface). Les
variations des fractions de charge avec l'angle de diffusion diffèrent suivant le projectile, car
sa nature électronique induit différents types de processus d'échange de charge. Les ions Ne+
de 4 keV sont très fortement neutralisés (par effet Auger) alors que les ions Na+ ne présentent
qu'un très faible taux de neutralisation. Cependant la neutralisation du néon (ou la non
neutralisation du sodium) n'est pas totale.
60000
300000
+
+
Na
Ne
neutres x10
positifs
neutres
positifs x50
200000
20000
100000
0
40000
2
4
6
8
10
Angle de diffusion
12
14
2
4
6
8
10
Angle de diffusion
12
14
0
Figure 1. Distributions polaires des particules diffusées au cours de l’interaction d’ions de 4 keV sur NaCl (100)
sous une incidence de 2°, la diffusion spéculaire correspond à un angle de 4°.
Dans le cas du fluor, on observe une diffusion quasi-spéculaire avec une forte
production d'ions négatifs : les ions positifs sont neutralisés en voie d'entrée par effet Auger,
les ions négatifs sont produits très près de la surface par échange résonant avec un ion
chlorure. En effet l'interaction entre un ion F- formé par échange et le trou positif laissé sur le
chlore dans l'environnement du cristal ionique (énergie de Madelung), a pour effet d'amener
en résonance le niveau de F- + Cl avec F + Cl-. De manière plutôt inattendue la production
d'ions négatifs est supérieure à celle observée dans le cas des métaux ; on peut l'expliquer par
le fait qu'une fois l'ion fluorure formé, la perte d'électron est très peu probable en voie de
sortie car il n'y a plus résonance, l’ion négatif se trouvant en présence de la bande interdite de
l’isolant (ce qui est différent du cas des métaux).
Le dispositif expérimental et le système d’acquisition permettent d’enregistrer ‘en
parallèle’ les temps de vol des particules diffusées neutres, positives et négatives et de
calculer simultanément par intégration des pics de temps de vol les fractions de charge
correspondantes. Ceci permet de suivre ‘en direct’ l’évolution de ces fractions en fonction des
paramètres expérimentaux. Il est en particulier intéressant de mesurer l'influence de l'angle
azimutal sous lequel les projectiles sont envoyés sur la cible, car ils suivent des trajectoires
différentes et donc la probabilité d'échange de charge doit être modifiée. Les mesures
expérimentales révèlent en effet des variations de fractions de charge significatives autour des
directions particulières [100] et [110] qui correspondent respectivement à des rangées
alternées d’ions sodium et chlore et à des rangées d’ions de même nature (figure 2 ci-après).
113
Interactions Ion - Surface
Des variations significatives des fractions de charge autour des directions privilégiées
du cristal ont également été enregistrées pour les autres projectiles. Ces variations sont reliées
directement aux processus de transferts de charge, en particulier via les temps caractéristiques
associés à la formation des ions négatifs près des sites négatifs du cristal et à leur destruction
par interaction ultérieure avec la surface [7].
En résumé les études expérimentales d’interaction ion-surface décrites ci-dessus ont
montré que les processus de transfert de charge au cours de l’interaction d’ions
monoatomiques d’énergie moyenne (2 à 12 keV) avec une surface de NaCl (100) dépendent
notablement de la nature électronique du projectile, de son énergie et de l'angle de diffusion.
Pour ces projectiles, contrairement aux résultats obtenus dans le cas de surfaces métalliques,
la production d'ions négatifs est importante et est directement liée à la présence d'un "gap" et
d'une bande de valence étroite qui diminuent les probabilités de détachement des ions négatifs
formés. Les expériences ont montré que les fractions de charge mesurées varient de manière
significative avec l’angle azimutal d’incidence.
1.0
0.10
0.8
0.05
[100]
0.00
-20 -10
0
0.6
[110]
10 20 30 40
Angle azimutal
50
60
-20 -10
0
10 20 30 40
Angle azimutal
50
60
Figure 2. Variations de la fraction de charge positive (à gauche) et négative (à droite) en fonction de l’angle
azimutal d’incidence dans la diffusion d’ions F+ de 4 keV sur NaCl (100) sous une incidence de 2°.
L’utilisation de codes numériques de simulation de trajectoires a permis de corréler
qualitativement ces variations à la distribution des distances de plus courte approche entre le
projectile et les atomes de la cible. Il a été montré que le code Marlowe, basé sur
l’approximation des collisions binaires, donne des résultats comparables à ceux obtenus par
des codes de dynamique moléculaire, même en incidence rasante, le potentiel choisi restant
l’élément déterminant. Une adaptation de ce code a permis de calculer le nombre d’ions
chlorure ‘visités’ par le projectile le long de sa trajectoire, c’est-à-dire le nombre d’ions que le
projectile approche à moins d’une distance donnée, et ce en fonction de l’angle azimutal
d’incidence. Les résultats reportés ci-dessous montrent qu’on reproduit les variations
observées dans la fraction de charge négative du fluor pour une distance de plus courte
approche inférieure à 1.80 Å qui correspond au rayon ionique du chlore. De plus le nombre
moyen de sites visités est d’environ 10, soit une probabilité moyenne par collision de
formation d’ion négatif de 0.08 (fraction négative mesurée autour de 80%) en accord avec les
estimations théoriques [Borisov et Sidis, Phys. Rev.B , 1997, 56 p.10628].
114
Interactions Ion - Surface
5
Nombre d'ions chlorure 'visités'
Rmin < 1.13 Å
Rmin < 1.35 Å
0
15
Rmin < 1.58 Å
10
5
Rmin < 1.80 Å
0
0
10
20
30 40 50 0
10 20
Angle azimutal d'incidence (°)
30
40
50
Figure 3. Nombre d’ions chlorure approchés à une distance inférieure à Rmin par des projectiles de fluor de
4 keV envoyés sur une surface de NaCl sous un angle d’incidence de 2° et réfléchis spéculairement. Ces
nombres sont obtenus par des codes numériques de simulations de trajectoires.
De même, ces simulations montrent que, même en incidence rasante, des distances
critiques de plus courte approche peuvent être atteintes au-delà desquelles la réionisation de
projectiles neutralisés est possible à travers des mécanismes de promotion électronique. Ceci
permet d’expliquer qu’une partie des ions néon, neutralisés en phase d’approche par effet
Auger, puissent être réionisés au cours de leur diffusion s’ils s’approchent suffisamment près
des ions sodium [9].
7.1.2. Echange de charge au cours de l'interaction d'ions monoatomiques avec une
surface monocristalline Ag (110) - travail en cours -
La mise en évidence reportée ci-dessus du rôle important joué par la géométrie de la
surface sur les processus d’échange de charge ouvre de nouvelles perspectives d’études. Une
première voie consiste à modifier les surfaces par différentes techniques telles que dépôt,
recuit, bombardement électronique. Cette dernière méthode a été utilisée pour enrichir en
sodium une surface de NaCl par désorption de Cl (stage de DEA de J. F. Veyan), mais les
surfaces ainsi obtenues présentent trop de relief (corrugation, îlots de Na) pour être étudiées
en incidence rasante (diffusion dans tout l’espace). Il s’avère donc nécessaire d’adjoindre au
dispositif existant un évaporateur in situ pour effectuer des modifications de surface sur NaCl.
Une deuxième voie consiste à utiliser des monocristaux avec des reconstructions de
surface particulières. Les résultats obtenus dans la croissance de réseaux nanostructurés sur
des surfaces à contrainte réduite (Brune et al., Nature 394, 1998) permet d’envisager la
fabrication et l’étude de ce type de surfaces. La surface choisie pour explorer cette voie est la
surface d’argent (110) qui se présente sous forme de rangées d’atomes d’argent ‘accolés‘ les
uns aux autres et espacées entre elles de 4.08 Å, valeur du pas de la maille du réseau cfc de
l’argent monocristallin. Le choix de cette surface résulte de plusieurs raisons : la collaboration
sur le plan théorique avec Nicolas Lorente capable de modéliser le système hydrogène sur
argent, la comparaison possible avec la surface Ag (111) étudiée dans le cadre d’un contrat
ECOS-Sud avec le Chili (voir 1.5), et l’intérêt porté à ce matériau dans les réactions
catalytiques d’époxydation.
Avant l’étude des propriétés électroniques de la surface, que l’on sondera par l’étude
des processus d’échange de charge, il est nécessaire de caractériser la surface, c’est-à-dire de
vérifier sa géométrie et sa propreté. L’analyse des particules diffusées (LEIS) et des atomes de
recul permet de le faire, certes de manière plus indirecte que par des techniques STM, mais à
plus grande échelle. Ce travail sur la surface Ag (110) a débuté au printemps 2001. Les
résultats obtenus ont permis de mettre au point les techniques de caractérisation de la surface
115
Interactions Ion - Surface
et le dispositif nécessaire au dépôt contrôlé d’oxygène sur cette surface en vue de l’obtention
de structures particulières auto-organisées.
Des ions d’argon de 4 keV sont utilisés pour nettoyer la surface (sputtering suivi de
recuit), mais également pour caractériser l’état de propreté de la surface (absence de pics de
recul d’oxygène et d’hydrogène). Suivant l’angle azimutal d’incidence le rapport particules de
recul (atomes arrachés à la surface) sur particules diffusées (Ar) varie fortement, la
comparaison à des simulations numériques permet d’identifier sans ambiguïté les directions
caractéristiques de la surface. Comme illustré ci-dessous, dans le cas de la diffusion d’ions
deuterium, une amélioration notable de la qualité de la surface (structure) a également été
obtenue par chauffage de l’échantillon au voisinage de la température de transition rugueuse
(930 K) suivi d’un refroidissement très lent : la finesse de la structure observée autour de la
direction [110] est en accord avec les prédictions des simulations.
α=3 θ=6
avant transition rugueuse
après transition rugueuse
[112]
[001]
-60
-40
-20
[110]
[111]
0
20
40
60
Angle azimutal d'incidence (°)
Figure 4. Nombre total de particules détectées (indépendamment de leur charge), en fonction de l’angle
azimutal d’incidence lors de l’interaction sous une incidence rasante de 3° d’ions de deutérium avec
une surface Ag (110).
Une fois la surface caractérisée, les fractions de charge positives et négatives ont
été mesurées dans le cas de la diffusion d’ions deutérium de différentes énergies et sous
des angles d’incidence rasants variables, l’idée étant de comparer les résultats à des
modèles théoriques développés au laboratoire. L’atome de deutérium (ou d’hydrogène) est
en effet facile à modéliser et du fait de sa petite taille doit être particulièrement sensible à
la corrugation de la surface. Les mesures révèlent des fractions positives et négatives
inférieures à 0.5% pour des projectiles de 4 keV, fractions qui augmentent légèrement
avec l’énergie incidente. Quant aux variations azimutales, si elles existent, elles restent
dans la barre d’erreur expérimentale. De plus les expériences montrent que les fractions
mesurées sont très sensibles à la pollution de la surface. Un moyen de s’en affranchir est
de maintenir la surface à une température de 200°C.
Cependant la mesure du nombre total de particules diffusées sous incidence rasante
en fonction de l’angle azimutal d’incidence permet de tester le potentiel calculé
théoriquement et de le comparer aux potentiels analytiques habituellement utilisés dans les
codes de calculs de trajectoires. En effet les structures observées dans les spectres résultent
de la dispersion plus ou moins grande du faisceau incident par la surface qui agit comme
un simple miroir pour un azimut quelconque, mais qui au contraire canalise certaines
trajectoires pour des azimuts particuliers. La canalisation dépend fortement du potentiel
utilisé.
116
Interactions Ion - Surface
7.1.3. Modélisation de la diffusion de l'hydrogène atomique sur Ag (110) en utilisant la
théorie de la fonctionnelle de la densité- travail en cours -
Le but de cette étude consiste à retrouver, à partir des résultats donnés par la théorie de
la fonctionnelle de la densité, les distributions en énergie (ou en angle) des fractions de charge
observées expérimentalement sur le système H/Ag(110).
L’exploitation de cette théorie a permis d’une part le calcul ab-initio de la force f(x,y,z)
ressentie par un atome d’hydrogène au voisinage de la surface Ag(110) et d’autre part le
calcul de la densité d’états projetés du système H/Ag(110) sur l’état 1s de l’atome
d’hydrogène.
La première information a été exploitée dans un programme de dynamique moléculaire
afin de connaître la trajectoire suivie par l’hydrogène lors de sa diffusion sur la surface.
L’effet du potentiel a été examiné en étudiant les variations du nombre de particules diffusées
en fonction de l’azimut. Les premiers résultats, obtenus autour de la direction [110], sont en
assez bon accord avec les mesures expérimentales et avec ceux obtenus par le code Marlowe
de simulations de trajectoires basé sur l’approximation des collisions binaires avec un
potentiel de paires.
La deuxième information donne le caractère 1s du système H/Ag(110) en fonction de la
position de H par rapport à la surface. Ceci doit permettre d’associer une probabilité de
transfert de charge en fonction de la trajectoire particulière suivie par le projectile et par
conséquent de retrouver, par analyse statistique sur un grand nombre de trajectoires, les
fractions de charges observées.
7.1.4. Amélioration de l'adhérence du cuivre sur des matériaux composites carbone époxy
Dans le cadre du laboratoire mixte UPS-Aérospatiale "Amélioration des Matériaux
Structuraux pour l'Aéronautique", l'équipe a participé à la tâche "métallisation des
composites". Les expériences faites en 99 ont consisté à déposer des couches variables de
cuivre sur un composite carbone - époxy, à le traiter par irradiation d'un faisceau d'ions Ar+, à
analyser l'interface ainsi modifiée et à tester l'adhérence du cuivre. Ces expériences, jointes à
des travaux de simulation numérique (code Marlowe) ont permis de déterminer l'épaisseur de
cuivre à déposer (100 Å) ainsi que l'énergie du faisceau d'ions utilisé pour optimiser
l'adhérence par migration des atomes de cuivre à l'interface Cu - composite.
Ce travail a fait l'objet du rapport de "DiplomArbeit" de Martin Rindsfüßer soutenu en
septembre 1999.
7.2. Collaborations
7.2.1. Contrat CMEP 1998-2000 avec l’Algérie
Les travaux ci-dessous résultent d'une collaboration avec le groupe ‘Interactions IonsSurfaces Solides’ du Laboratoire ‘Sciences Nucléaires et Interactions Rayonnement-Matière’
de l'Université USTHB à Alger.
7.2.1.1. Calcul des pertes d’énergie inélastiques
Ce travail vise à la détermination du pouvoir d'arrêt électronique dans les solides dans le
domaine mal connu des basses énergies (vitesse de collision < 1 ua). Dans ce domaine, la
mesure par transmission, des pertes d’énergie inélastiques est difficile à effectuer (nécessité
de cibles extrêmement minces) et devient même prohibitive dans le cas de cibles de semi117
Interactions Ion - Surface
conducteurs (Si, Ge). Elle est cependant possible par analyse des spectres de temps de vol des
particules réfléchies par la surface, enregistrés au LCAR. Assimilée à un coefficient de
friction ajustable, la perte d’énergie est obtenue par comparaison des spectres expérimentaux
à des simulations de trajectoires dans le solide (code TRIM).
La principale contribution à la perte d’énergie électronique est due au processus
d’excitation électron-trou. Dans ce cadre, il est commode, pour le calcul théorique de la perte
d’énergie inélastique, d’utiliser un modèle basé sur des collisions particule-gaz d’électrons.
L’application de ce modèle à He/Si amorphe a montré un fort désaccord avec le coefficient de
friction déduit de l’expérience, désaccord attribué à la présence d’un gap énergétique dans la
structure de bande du silicium. L’étude comparative de trois types de cibles (métal et deux
semiconducteurs de gap différents) a confirmé cette hypothèse ainsi que le rôle de la densité
d’états dans la bande de valence [8].
Une extension de l’étude vers de plus faibles vitesses, où l’effet du gap semble plus
important, est envisagée. Actuellement la même approche, tant théorique qu’expérimentale,
est entamée pour l’interaction molécule-surface métallique avec cependant une difficulté
supplémentaire liée la forte probabilité de dissociation de l’ion moléculaire avant l’interaction
proprement dite.
7.2.1.2. Etude systématique du coefficient de réflexion d’ions par des surfaces
solides à basse énergie. Application à l’échange de charge résonnant.
L’étude systématique du coefficient de réflexion d’ions par des surfaces solides
polycristallines ou amorphes vise à établir une formulation empirique du rendement de la
réflexion en fonction de la géométrie du système, de la nature du projectile ou de la cible et de
l’énergie de la collision. Cela permet dans certains cas, et en particulier pour l’optimisation
des paramètres, d’éviter le recours, très coûteux en temps, aux simulations numériques de
type Monte Carlo ou à la résolution des équations de Boltzmann dans le cadre de la théorie du
transport [10].
Les premières mesures ont porté sur l’étude de l’échange de charge résonnant dans la
voie d’entrée pour des ions alcalins diffusés par une surface de nickel polycristallin. Le
potentiel image a pour effet de modifier la géométrie apparente de la collision et donc
d’influencer, de façon notable, le coefficient de réflexion, tout particulièrement aux faibles
angles d’incidence (inférieurs à 4°). Cette propriété permet, par comparaison de l’expérience à
des simulations de remonter aux fractions de charge dans la voie d’entrée. Les premiers
résultats sur la réflexion spéculaire d’ions Na+ de 4 keV sur Ni sont en bon accord avec les
prévisions théoriques et ouvrent d’intéressantes perspectives. En particulier, l’étude de la
formation d’ions D- dans la collision D+/Ni en fonction de la vitesse parallèle dans la voie de
sortie est en cours (effets cinématiques liés au déplacement de la sphère de Fermi).
118
Interactions Ion - Surface
Figure 5. Comparaison entre le taux de réflexion expérimental (cercles pleins) et des simulations basées sur le
code TRIM. De haut en bas les simulations correspondent successivement aux résultats donnés par le code
TRIM seul, puis prenant en compte soit les effets de charge image, soit la correction par un facteur géométrique
effectif, soit les deux. Les courbes simulées et expérimentales ont été normalisées à un angle d’incidence de 10°.
7.2.2. Etude de la compétition entre processus Auger et excitation de plasmons de
surface dans la neutralisation d’ions incidents sur une surface Ag (111).
Cette étude est menée en collaboration avec un groupe expérimental de l’Université
Technique Frederico Santa Maria à Valparaiso (Chili) et des groupes théoriques des
Universités de Bordeaux (France) et de Conception (Chili) dans le cadre d’un contrat ECOSSud .
L’étude théorique porte sur la compétition, au cours de la diffusion d’ions sur des
surfaces métalliques, entre les processus de neutralisation par effet Auger classique, c’est-àdire avec éjection d’un électron dans le vide, l’autre électron venant combler la lacune de
l’ion incident, et par excitation d’un plasmon de surface [Surface plasmon assisted electroncapture mechanism in low energy He+(1s)/Al(111) collisions, H. Jouin, F. Gutierrez and C.
Harel, Phys. Rev. A., 2001, 63, pp. 052901/1-12]. Les taux de transition pour ces deux
processus ne suivent pas les mêmes lois en fonction de la distance d’approche du projectile de
la surface. Les calculs montrent que sous incidence très rasante, les distributions polaires des
particules diffusées doivent en être affectées. En effet suivant la distance à laquelle la
neutralisation a lieu l’effet de la charge image sur la trajectoire du projectile diffère et conduit
à un décalage du maximum de la diffusion par rapport à la direction spéculaire. La largeur du
spectre est également révélatrice de la gamme des paramètres d’impact efficaces dans la
neutralisation.
Sur le plan expérimental, le choix s’est porté sur des projectiles d’hélium et de
deutérium et une surface d’argent (111). Un diagramme énergétique des structures
électroniques de Ag (111), de He et de D montre que dans le cas de l’hélium sur Ag (111), la
neutralisation par effet Auger est la seule possible, alors que dans le cas du deutérium, l’effet
Auger entre en concurrence avec l’excitation d’un plasmon de surface. Une première étude
expérimentale des profils de dispersion angulaire pour les 2 types de projectile (stage de M.
Flores de janvier à avril 2001) n’a pas permis de conclure, la précision expérimentale étant
insuffisante. La mise en place en décembre 2001 d’un dispositif de visualisation doit
permettre de mieux contrôler les paramètres géométriques du faisceau et ainsi d’améliorer la
précision des profils polaires de dispersion.
119
Interactions Ion - Surface
7.3. Axes de recherches pour les années à venir
Les axes de recherche qui suivent s’inscrivent dans la démarche entreprise en 2001 et
présentée ci-dessus en 1.2.. La connaissance des propriétés structurales et électroniques de
matériaux nanostructurés autoorganisés est importante non seulement sur le plan fondamental
mais aussi sur le plan technologique, par exemple en microélectronique (miniaturisation
ultime, ‘gravure’ par auto-organisation…), en catalyse (composés à base d’argent utilisés
dans les réactions d’époxydation de l’éthylène, d’oxydation partielle du méthanol).
7.3.1. Etude comparée des transferts de charge sur Ag (110) et Cu (110)
Les fractions de charge mesurées dans le cas de la diffusion de l’hydrogène (ou
deutérium) sur la surface Ag (110) sont très petites, sensibles à la pollution de la surface et à
la limite de la barre d’erreur expérimentale. Quelques mesures de fractions de charge ont été
faites sous incidence rasante avec l’ion lithium dont la structure électronique permet d’espérer
des valeurs notables de fractions de charge. Les fractions de charge positives mesurées sont
en effet de l’ordre de 30% pour des ions de 4 keV.
Avec ce système Li/Ag (110), il faut s’attendre à des effets de charge image importants
dus aux valeurs voisines du travail de sortie de Ag et de l’énergie d’ionisation de Li et donc à
des variations selon l’angle azimutal d’incidence. D’après les travaux expérimentaux sur Cu
(110) [Hecht et al. Faraday Discussion, 2000, 117, 27-40], on peut également attendre des
effets cinématiques dus à la vitesse parallèle du projectile (changement de référentiel). Une
étude comparée sur des échantillons de Ag (110) et de Cu (110) est donc prévue.
7.3.2. Dépôt d’oxygène sur Ag (110), Cu (110).
Dans le cas de l’argent, selon la température de l’échantillon, différents types
d’adsorption ont lieu. À T=500 K l’oxygène s’adsorbe sous forme atomique avec un
coefficient de collage de 0.002. Il est donc possible de contrôler la quantité d’oxygène
adsorbé dans des conditions expérimentales classiques : sous une pression de 10-7 torr
d’oxygène, il faut plus d’ 1 heure pour former une monocouche.
Des travaux STM sur Ag [Zambelli et al., Phys. Rev. B 1998, 58 pp. 12663-1266] et sur
Cu [Leisble et al. Surf. Sci 1994, 317 pp.309-320] ont prouvé que l’adsorption d’oxygène sur
ces matériaux conduit à une reconstruction sous forme de chaînes métal-oxygène (added-row
reconstruction) alignées le long de l’axe [001]. Dans le cas du cuivre la reconstruction est
toujours de type (2x1), alors que dans le cas de l’argent, suivant la quantité d’oxygène
déposée la reconstruction varie de (8x1) à (2x1).
L’identification des sites d’adsorption et/ou des structures se fera par l’analyse du
nombre de particules diffusées et de recul en variant l’angle d’incidence et l’angle azimutal.
La caractérisation des propriétés électroniques se fera par mesure des fractions de charge. Ce
travail constituera la majeure partie de la thèse de Nicolas Nieuwjaer.
7.3.3. Coadsorption de O et Cu sur Ag (ou de O et Ag sur Cu)
Si les travaux évoqués ci-dessus se révèlent fructueux, on pourra les étendre à la
coadsorption de O et Cu sur Ag. Il a été en effet observé [Tanaka et al., Applied Surf. Sci.,
1998, 130-132, PP.475-483], que dans ce cas il y a une sorte de réaction chimique entre O et
Cu pour former des chaînes alternées oxygène métal, mais avec une orientation le long de
l’axe [110]. De plus par chauffage et de manière réversible il est possible de former des
clusters Cu6.
120
Interactions Ion - Surface
7.3.4. Adsorption de N par implantation d’ions sur Cu (100), puis dépôt de Ag par
vaporisation : formation de lignes d’Ag à l’échelle nanométrique
Des travaux récents [Silva et Leisble, Surface Science, 1999, 440 L835-840] ont montré
qu’une implantation préalable d’azote sur du cuivre permet de déposer de l’argent sous forme
de fils très fins de 5 nm de large, quelques 100 nm de long et seulement 1 ou 2 atomes
d’épaisseur. Ce type de préparation est possible avec le dispositif expérimental actuel,
moyennant quelques adaptations. Par un choix judicieux des angles azimutaux d’incidence on
pourrait étudier les propriétés électroniques de ces fils d’Ag, phase particulière entre l’atome
et le solide.
7.4. Conclusion
L'activité de ces dernières années a été principalement consacrée à l'étude des
interactions électroniques entre ions à incidence rasante (moins de 5 eV) et surfaces.
L'influence de la largeur de bande interdite sur le pouvoir d'arrêt électronique à basse énergie
a été mise en évidence et modélisée pour des surfaces polycristallines de métaux (Ni) et de
semi-conducteurs (Si, Ge). Sur des surfaces monocristallines d'halogénures alcalins (NaCl)
des effets structuraux importants sur les fractions de charge ont été observés et leur
interprétation a nécessité la mise au point de modèles théoriques et numériques qui doivent
encore être améliorés. Ces observations nous ont conduit à entreprendre des études sur des
surfaces présentant des structures cristallographiques à forte corrugation électronique afin d'en
étudier les effets sur les processus d'échange de charge. Les faces (110) des métaux à structure
c.f.c. (Ag, Cu...) sont les premiers exemples actuellement étudiés. Les surstructures induites
par adsorption d'oxygène (ou co-adsorption métal et oxygène) sont des systèmes prometteurs
pour leurs propriétés électroniques particulières (transitions 3D-2D, 2D-1D, métal-isolant.....)
et sont l'objet de nos projets de recherche.
7.5. Publications dans des revues à comité de lecture
1998
[1] Angular, energy and charge distribution in the scattering of low energy helium ions by an
amorphous silicon surface, B. Arezki, Y. Boudouma, P. Benoit-Cattin, A. C. Chami, C.
Bénazeth, K. Khalal Kouache, M. Boudjema, J. Phys.: Condens. Matter, 1998, 10, pp. 741752.
[2] Charge exchange and excitation in Ne+/a-Si collisions at medium energy (2-30 keV).
Experiment and simulation, S. Mouhammad, P. Benoit-Cattin, C. Bénazeth, P. Cafarelli, P.
Reynes, M. Richard-Viard and J. P. Ziesel, J. Phys.: Condens. Matter, 1998, 10, pp. 86298641.
[3] Low energy helium particles scattered by an amorphized silicon surface, K.Khalal
Kouache, A. C. Chami, M. Boudjema, Y. Boudouma, B. Arezki, C. Bénazeth and P. BenoitCattin, Alg. J. of Adv. Materials, 1998, 2, pp. 87-94.
1999
[4] Charge exchange in scattering of atomic and molecular deuterium ions on a NaCl surface,
M. Richard-Viard, N. Bénazeth, P. Benoit-Cattin, J. P. Ziesel, C. Benazeth, P. Cafarelli, NIM
B, 1999, 149 pp. 7-16.
121
Interactions Ion - Surface
[5] Azimuthal effects in charge exchange processes during interaction of Ne+, Na+, F+ ions
with a NaCl (100) surface, P. Benoit-Cattin, M. Richard-Viard, C. Bénazeth, S. Abidi, P.
Cafarelli, J. P. Ziesel, NIM B, 1999, 149 pp. 257-262.
[6] Scattering of light particles by solid targets at small angles : transport theory and MonteCarlo methods, K.Khalal Kouache, A. C. Chami, M. Boudjema, Y. Boudouma, P. BenoitCattin, C. Bénazeth, Alg. J. of Adv. Materials, 1999, 3, pp. 3-10.
2000
[7] Scattering of 4 keV Ne+, Na+ and F+ ions from a NaCl (100) surface under a small angle
of incidence, M. Richard-Viard, C. Bénazeth, P. Benoit-Cattin, P. Cafarelli, S. Abidi, J. P.
Ziesel, NIM B, 2000, 164-165, pp. 575-582.
[8] Inelastic energy loss of light particles scattered by solid surfaces at low energy : influence
of the gap, M. Boudjema, N. K. T. D'Bichi, Y. Boudouma, A.C.Chami, B. Arezki, K. Khalal
Kouache, C. Bénazeth, P. Benoit-Cattin, NIMB, 2000, 164-165, pp. 588-594.
2001
[9] Azimuthal dependence of charge exchange in grazing scattering of 4 keV ions on a NaCl
(100) surface : role of the trajectory, M. Richard-Viard, S. Abidi, C. Bénazeth, P. BenoitCattin, P. Cafarelli, NIM B, 2001, 184, pp. 490-499.
[10] Transport theory and Monte-Carlo simulation of the scattering of low energy Li+ ions
from a polycrystalline nickel surface, K. Khalal Kouache, A. C. Chami, M. Boudjema, P.
Benoit-Cattin, C. Bénazeth, Y. Boudouma, NIMB, 2001, 183, pp. 279-284.
Thèse
2000
Saïd Abidi, Etude expérimentale des transferts de charge dans les interactions d’ions avec des
surfaces d’halogénures d’alcalins, soutenue le 22 juin 2000.
Communications affichées
1999
Transfert de charge sur des surfaces d'halogénures alcalins en incidence rasante, S. Abidi, C.
Bénazeth, P. Benoit-Cattin, M. Richard-Viard, P. Cafarelli, J. P. Ziesel, Congrès Général de la
SFP, Clermont-Ferrand, 5-9 juillet 1999.
Scattering of 4 keV Ne+, Na+ and F+ ions from a NaCl (100) surface under a small angle of
incidence, M. Richard-Viard, C. Bénazeth, P. Benoit-Cattin, P. Cafarelli, S. Abidi, J. P.
Ziesel, ICACS 18, Odense, Danemark, 3-8 août 99.
Charge exchange between some rare-gas and reactive positive ions and a NaCl (100) surface
under grazing incdence at 4 keV, P. Benoit-Cattin, M. Richard-Viard, C. Bénazeth, P.
Cafarelli, S. Abidi, J. P. Ziesel, Particle-Solid interactions, European research conference, San
Sebastian, Espagne, 28 septembre-3 octobre 1999.
122
Interactions Ion - Surface
Inelastic energy loss of light particles scattered by solid surfaces at low energy : influence of
the "gap", M. Boudjema, N. D'bichi, Y. Boudouma, A. C. Chami, B. Arezki, K.Khalal
Kouache, C. Bénazeth, P. Benoit-Cattin, ICACS 18, Odense, Danemark, 3-8 août 1999.
2000
Azimuthal dependence of charge exchange in grazing scattering of 4keV ions on a NaCl
surface, C. Bénazeth, P. Benoit-Cattin, P. Cafarelli, M. Richard-Viard, Said Abidi, J. P.
Ziesel, 19th European Conference on Surface Science, Madrid, 5-8 septembre 2000.
2001
Azimuthal dependence of charge exchange in grazing scattering. Role of the trajectory, C.
Bénazeth, P. Benoit-Cattin, P. Cafarelli, M. Richard-Viard and J.P. Ziesel, ICACS 19, Paris,
29 juillet-3 août 2001.
Image potential effect on the specular reflection coefficient of low energy alkali ions scattered
by nickel surface, R. Zemih, M. Boudjema, C. Bénazeth, Y. Boudouma and A. C. Chami,
ICACS 19, Paris, 29 juillet-3 août 2001.
Threshold of close-encouter charge exchange for rare gases ions colliding polycristalline
nickel target at low energy, M. Boudjema, M. Belgroune and C. Bénazeth, ICACS 19, Paris,
29 juillet-3 août 2001.
123
Interactions Ion - Surface
124
8. Théorie des processus dynamiques dans les systèmes
moléculaires
8.1. Composition de l’équipe
La division de l'activité en deux opérations de recherche a été décidée en septembre 2001,
après l'obtention d'une ACI blanche jeunes chercheurs.
OR1 : Processus inélastiques dans des nano-objets (ACI jeunes chercheurs)
Responsable : Nicolas Lorente
Permanents :
Nicolas Lorente (MC - UPS, depuis septembre 2000).
Christoph Meier (MCF - UPS) à 50 % depuis septembre 2001.
Hao Tang (CR1 - CNRS) effectuant ses recherches au CEMES.
Visiteurs :
F.E. Olsson, Chalmers/Goteborg University, Suède. Du 3 au 16 juin 2001.
M. Hedouin, University of Birmingham, Edgbaston, Birmingham, UK. Du 2 au 12 juillet
2001.
OR2 : Interactions avec les photons et dynamique réactionnelle
Responsable : J. Alberto Beswick
Permanents :
J. Alberto Beswick (PRCE - UPS)
Jean-Pierre Daudey (DR1 - CNRS), en détachement au laboratoire depuis janvier 2001.
Christoph Meier (MCF - UPS) à 50 % depuis septembre 2001.
Bruno Lepetit (CR1 - CNRS) dans l’équipe depuis janvier 2000.
Post-doctorants :
C. Meier, Freiburg, Allemagne, Bourse Marie-Curie du 5/97 au 2/99.
G. Velardez, Univ. Cordoba, Argentine, bourse ECOS-Sud (5/98 - 2/99).
Doctorants :
Sebastian Fernandez, bourse Université de Quilmes (Argentine) (1997-1999)
Etienne Gindensperger, bourse MEN depuis septembre 1999.
Arnaud Dupays, bourse MEN depuis septembre 2001.
Visiteurs :
R. Schinke, MPI Gottingen, Allemagne, 1 mois (1998).
J. Simons, Université d’Oxford, Angleterre, 1 mois (1998).
V. Engel, Wurzburg, Allemagne, 1 semaine/an (1999, 2000).
V. Ermoshin, Wurzburg, Allemagne, 1 mois (1999).
125
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
S. Meyer, Wurzburg, Allemagne, 1 mois (1999).
S. Fernandez, Université de Quilmes, Argentine, 1 mois (2000).
O. Rubner, Wurzburg, Allemagne, 1 mois (2000).
O. Vasyutinskii, IOFFE St Petersburg, Russie, 1 mois (2000).
G. Velardez, Univ. Cordoba, Argentine. ECOS-Sud. 3 mois 2001.
A. Bastida, Université de Murcia, Espagne. 1 semaine/an (1998, 1999, 2000 et 2001).
O. Roncero, CSIC, Madrid, Espagne, 1 semaine/an (2000, 2001).
D. Bakalov, INRME, Sofia, Bulgarie, 1 mois (2001).
Stagiaires :
C. Gonzalez, Université de Quilmes, Argentine. Stage thèse ECOS- Sud (1 mois 1998)
J-M. Papy, stage maîtrise, 1998.
S. Zamith, stage DEA, 1998.
M. Braun, diplôme allemand, 1999.
G. Lévêque, stage DEA, 2000.
P. Brun, stage maitrise, 2000;
F. Mauriès, stage maitrise, 2001.
8.2. Compte-rendu de l’activité scientifique
8.2.1 Introduction
Comme indiqué plus haut, l’activité de l’équipe se divise en deux opérations de
recherche. La première (OR1) fait l’objet d’une ACI jeunes obtenue en septembre 2001. Elle
est consacrée à l’étude théorique des processus de transfert d’énergie et de charge entre
particules atomiques ou moléculaires et des surfaces solides. Le but principal de cette
opération est de modéliser et de caractériser des nano-objets ayant des propriétés
électroniques, chimiques et structurales bien définies. Cette recherche se place dans le cadre
général de la manipulation par STM de ces objets. Parallèlement, des études de collisions ionsurface métalliques sont conduites en collaboration avec l’équipe expérimentale ions-surfaces
du laboratoire.
La deuxième (OR2) se consacre essentiellement à l’étude des processus de
redistribution d’énergie, d’échange de charge, de fragmentation des systèmes moléculaires en
interaction avec un rayonnement laser. Les systèmes étudiés sont des molécules isolées ou de
molécules au sein de complexes de van der Waals ou des matrices cryogéniques. Les
méthodes utilisées sont celles de la mécanique quantique dépendant du temps (paquets
d’onde), de la mécanique classique et les méthodes hybrides quantique/classique.
On présente par la suite le détail de ces opérations.
8.2.2 OR1 - Processus inélastiques dans des nano-objets et interactions ions-surfaces.
Cette opération porte sur l’étude des transferts d’énergie et de charge entre particules et
surfaces solides. L’objectif est de comprendre la manipulation d’objets de taille atomique sur
des surfaces solides pour traiter les problèmes liés au développement de nanostructures ayant
des propriétés électroniques, chimiques et structurales bien définies.
126
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
8.2.2.1 STM et molécules sur surfaces
La modélisation est basée sur la description ab-initio des systèmes étendus. Pour la
caractérisation des surfaces et l’interaction statique de particules atomiques et moléculaires
avec des surfaces le logiciel DACAPO est utilisé. Ce logiciel est développé et maintenu
au CAMP de l’Université Technologique du Danemark (DTU). DACAPO minimise l’énergie
qui est une fonctionnelle de la densité d’un système infini d’électrons et d’ions. Ce logiciel
permet de calculer la structure électronique et les forces agissant sur les ions (théorème
Hellmann-Feynman). La première partie du projet a consisté donc à utiliser ce programme
pour caractériser complètement le système surface/molécule. Cette première partie est la plus
coûteuse en temps de calcul. En effet, elle entraîne la résolution d’une équation effective de
Schrödinger mono-électronique pour une cellule unité d’environ 100 atomes, qui est ensuite
répétée périodiquement. La première tâche réussie a été d’installer et tester deux versions
différents de DACAPO sur l’Origin 3800 et l’IBM-sp3 du CINES à Montpellier. La deuxième
version de DACAPO est pilotée par python, un langage objet qui a permis d’automatiser
l’exploration des surfaces de potentiel et l’étude de différentes configurations des systèmes
étudiés.
Les travaux, réalisés et en cours de réalisation, s’articulent sur deux lignes principales
de recherche. La première est l’étude des images STM (microscope à effet tunnel) sur des
molécules chimisorbées, en incluant les propriétés électroniques et élastiques de ces systèmes,
pour ensuite étudier les effets inélastiques induits par une pointe STM [27, 28, 57, 58]. Le cas
de la molécule d’oxygène chimisorbée sur Ag(110) a été ainsi étudié [34]. Selon que le
potentiel électrique entre la pointe STM et la surface où la molécule est déposée est positif ou
négatif, la molécule est dissociée, respectivement, dans une direction (001) ou
perpendiculairement à celle-ci. La surface de potentiel ainsi que la structure électronique ont
été analysés en détail. Il a été montré qu’il existe une asymétrie dans la surface de potentiel et
que, à cause de la présence des résonances électroniques étroites de la molécule d’oxygène au
niveau de Fermi, le processus d’excitation dépend de la tension appliquée. La première partie
de ce travail concernant les images STM de différentes espèces est achevée et en cours de
publication. Ce calcul, très lourd du point de vue numérique, a été réalisé principalement au
CINES et au UNICC de Göteborg. Il se poursuit actuellement, par le calcul de la probabilité
de dissociation de la molécule le long des différents directions en fonction de la tension
appliquée.
Un autre travail réalisé a été la caractérisation de la molécule de C2 déposée sur une
surface de Cu(100). L’équipe de Wilson Ho (Cornell) avait réusi à créer cette molécule sur la
surface en dissociant les atomes d’hydrogène de la molécule d’acétylène avec la pointe d’un
STM. Le calcul sur C2 a été fait au CINES avec DACAPO et les modifications pour pouvoir
projeter la structure électronique sur des orbitales moléculaires ont été réalisées. Cette
technique est très intéressante parce qu’elle permet une compréhension detaillée de la
structure électronique d’un système multi-électronique, en l’exprimant en termes des orbitales
de la molécule libre et de la surface libre. Ce travail a complété les études réalisées à
Göteborg sur l’acétylène [27, 28] et a été soumis pour publication [35].
8.2.2.2 Collisions ions-surface
La deuxième ligne de recherche porte sur l’interaction d’ions sur des surface solides.
Cette ligne est une collaboration avec le groupe interaction ion-surface. L’expérience faite au
LCAR a été la diffusion des protons par une surface Ag(110). Nos calculs ont évalué les
forces subies par les atomes H (la neutralisation est très efficace) et ensuite les trajectoires
atomiques. Cela nous permet d’estimer la distance d’approche et les temps de résidence des
atomes près de la surface. Nous avons évalué la probabilité de transfert de charge en calculant
127
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
la largeur des differentes orbitales atomiques en interaction avec la surface. Nous avons mis
en évidence l’importance de ce type d’études pour comprendre le transfert de charge sur des
surfaces très structurées telle que la surface Ag(110). Nous avons aussi calculé les états
Shockley de cette surface et l’effet que ces états ont sur le transfert de charge. Ce calcul a été
très detaillé et donc a nécessité 3000 heures de calcul partagées entre CALMIP et CINES.
8.2.3. OR2 - Interactions avec les photons et dynamique réactionnelle
8.2.3.1. Compétition entre prédissociation électronique et vibrationelle dans le
complexe de Van der Waals Ar…I2.
Lorsque le complexe de Van der Waals Ar…I2, aussi bien l’isomère linéaire que
l’isomère perpendiculaire, est excité par des photons d’énergie 18 000 cm-1 correspondant à la
transition X → B de la molécule d’iode, plusieurs mécanismes peuvent entrer en compétition :
d’une part, la prédissociation vibrationnelle : Ar…I2(X) + hν → Ar + I2(B). L’iode produit est
excité électroniquement et vibrationnellement. Sa fluorescence permet de remonter aux
distributions du produit. D’autre part, la prédissociation électronique : Ar…I2(X) + hν → Ar
+ I + I. Il y a transition entre l’état excité B et un autre état de la molécule d’iode (a(1g),
a’(0g+), B’’(1u), 1(2g)). Aucune fluorescence n’est ici observée, on peut néanmoins accéder à
la section efficace partielle de ce processus à partir de l’intensité lumineuse absorbée.
Ces 2 processus dépendent fortement de l’isomère initial choisi. Une étude comparative
de la prédissociation vibrationnelle depuis les 2 isomères linéaires et perpendiculaires a été
réalisée [23]. Le spectre d’absorption de photons pour l’isomère perpendiculaire consiste en
un ensemble de bandes étroites et intenses, alors que celui de l’isomère linéaire résulte de la
superposition d’un fond continu et de pics moins intenses dus à des états résonants quasilinéaires. Les distributions produits calculées ont pu être comparées à de récents résultats
expérimentaux (Miller, Chuang, Fu, Higgins et Klemperer, J. Chem. Phys. 111 (1999) 7844 ;
Burrough et Heaven, J. Chem. Phys. 114 (2001) 7027). Les distributions vibrationnelles pour
l’isomère linéaire sont plus larges que celles issues de l’isomère perpendiculaire. Les
distributions rotationnelles pour l’isomère linéaire sont peu structurées et caractéristiques
d’une dynamique de dissociation rapide, alors que celles pour l’isomère perpendiculaire sont
structurées.
Le traitement simultané des prédissociations électroniques et vibrationnelles a
nécessité la prise en compte de 5 surfaces de potentiel couplées B, a(1g), a’(0g+), B’’(1u),
1(2g). Des surfaces Diatomics-In-Molecule (DIM) calculées par A. Buchachenko (Moscou)
ont été utilisées. Pour l’isomère linéaire, seul l’état a’ réduit de façon significative la section
efficace de prédissociation vibrationnelle. Pour l’isomère perpendiculaire, la prédissociation
électronique vers les états a’(0g+) et 1(2g) diminue les durées de vie des résonances. Leurs
largeurs varient en fonction de l’état résonant choisi, mais la principale source d’oscillation
est la redistribution vibrationnelle intramoléculaire (IVR) plutôt que les variations des
facteurs de Franck-Condon dans la prédissociation électronique. Ces résultats [30] modifient
l’interprétation de la prédissociation électronique sur ce système (contribution de l’état a(1g)
oscillante du fait des facteurs de Franck-Condon).
128
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
Sections efficaces d'absorption de photons en fonction de l'énergie d'excitation pour le processus de
photodissociation du complexe ArI2(X) linéaire. La différence entre les 2 courbes montre l'effet de la
prédissociation électronique, faible dans ce cas.
8.2.3.2. Aspects théoriques de la dynamique des processus ultrarapides, induite,
contrôlée et détectée par des impulsions femtosecondes.
L’objectif à long terme étant une catalyse par lumière en phase condensée, deux voies
principales ont été développées à partir des études de dynamique ultrarapide dans les
molécules diatomiques en phase gazeuse: d’une part, l’augmentation de la complexité de
l’impulsion pour permettre le contrôle cohérent et d’autre part l’augmentation de la
complexité du système moléculaire.
Un des objectifs est de simuler la distribution énergétique des photoélectrons en
fonction du délai entre les impulsions de pompe et de sonde. Pour cela, des méthodes
quantiques de propagation de paquets d’ondes qui permettent de traiter des impulsions de
forme arbitraire et d’inclure le continuum d’ionisation ont été développées.
En augmentant la complexité des impulsions, les effets d’une impulsion à dérive de
fréquences ont été étudiés. Il a été montré que, dans ce cas, il est possible de détecter le sens
de mouvement d’un paquet d’ondes pour un délai donné. En outre, il a été possible d'illustrer
le principe de contrôle cohérent dans le cas d’une molécule diatomique avec des impulsions
taillées. Les molécules considérées ont été NaI , Na2 et K2. Ces travaux ont été réalisés en
interaction avec les équipes expérimentales de A. Zewail, de T. Baumert, de G. Gerber et de
B. Girard.
Plus récemment, l’activité principale de recherche a évolué vers la modélisation de la
dynamique de systèmes plus complexes, en particulier, des systèmes en interaction avec un
environnement. Ainsi, des études de la dynamique des molécules diatomiques perturbées par
un environnement d’atomes de gaz rare ont été entreprises. Deux types de situations ont été
129
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
considérés. D’une part, des études des complexes de van der Waals, qui donnent des
informations très détaillées sur des interactions soluté-solvant ont été effectuées par des
méthodes de propagation de paquet d’ondes. Parmi les systèmes étudiés se trouvent les
complexes de van der Waals I2-Ar et I2-Ne2 (collaboration avec U. Manthe, Munich). Dans le
complexe I2-Ar, l’effet cage à un atome a été simulé en comparaison directe avec des
résultats expérimentaux.
D’autre part, les effets des collisions aléatoires sur la dynamique ultrarapide de la
dissociation de I2 ont été étudiés. Un mécanisme collisionnel, identique à celui de l’effet
cage dans le complexe I2-Ar, a été observé par A. Zewail par des expériences pompe-sonde
de I2 dans un environnement de gaz d’argon à haute pression. Par des méthodes de
dynamique moléculaire en incluant l’excitation ultrarapide, ces résultats expérimentaux ont
pu être simulés et le mécanisme de l’effet cage par des collisions aléatoires a été élucidé.
Sur la figure est représentée la densité de probabilité de la distance internucleaire I-I
après une excitation femtoseconde (partie supérieure de la figure). Les structures, qui
peuvent être interprétées comme des caustiques, se reflètent dans le signal pompe-sonde
illustré (partie inférieure de la figure).
Ce traitement classique est en train d’être étendu à la simulation théorique des spectres
d’électrons dépendant du temps basée sur la propagation d’un ensemble de trajectoires
classiques des noyaux.
130
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
8.2.3.3 Méthodes hybrides classiques/quantiques
Un des défis majeurs dans le domaine de la dynamique moléculaire est de pouvoir
étendre les études de relaxation et de recombinaison aux cas où le nombre d'atomes de gaz
rare dans le complexe augmente, et tendre ainsi vers la phase condensée. Ce domaine, qu’on
peut décrire en termes généraux comme celui de l’étude des effets d’environnement sur les
processus physico-chimiques, est actuellement en rapide développement expérimental et la
modélisation est généralement faite par la technique de la dynamique moléculaire en utilisant
des trajectoires classiques.
Néanmoins, il existe de nombreuses situations dans lesquelles un grand nombre de
degrés de liberté doivent être pris en compte et cependant, pour certains d’entre eux un
traitement classique n’est pas adapté. Pour étudier par exemple, l’interaction d’un
chromophore en solution avec des champs externes d’une forme extrêmement compliquée, où
les phases relatives des différentes composantes spectrales deviennent importantes, un
traitement quantique du chromophore est indispensable. Le solvant, par contre, peut
éventuellement être décrit par la mécanique classique. Il est donc nécessaire de développer
des méthodes mixtes qui traitent seulement certains degrés de liberté quantiquement, et le
reste classiquement.
Une technique possible est celle des trajectoires classiques avec sauts quantiques entre
surfaces électroniques. Une thèse (S. Fernandez) a été soutenue dans l’équipe en 1999 sur la
photodissociation et la recombinaison de la molécule de ICN en matrice d’argon en utilisant
cette méthode. Cette étude a été réalisée en liaison avec les expériences de M. Chergui
(Lausanne). Il est possible de traiter par la même technique des problèmes de relaxation et
prédissociation vibrationnelle dans lesquels un degré de liberté vibrationnel est traité
quantiquement tandis que tous les autres degrés de liberté sont traités classiquement. La
méthode a été testée sur l'agrégat formé de la molécule d'iode avec des atomes de néon avec
des résultats très satisfaisants.
La méthode des sauts quantiques a ses limitations et demande en outre un grand effort
de calcul. Il est donc important d’explorer d’autres méthodes alternatives pour traiter des
problèmes multidimensionnels en incluant des effets quantiques. Une nouvelle méthode
mixte, basée sur l’interprétation de Bohm de la mécanique quantique a été mise au point.
Cette interprétation, qui a été proposée dès le début de la mécanique quantique, consiste à
définir un ensemble de trajectoires en plus de la fonction d’onde dont l’évolution temporelle
est déterminée par l’équation de Schrödinger dépendant du temps habituelle. Il a été montré
en 1927 par de Broglie, que si l’on interprète la phase de la fonction d’onde quantique comme
un potentiel pour un champ de vitesses auquel le mouvement des trajectoires est soumis,
l’ensemble des trajectoires représente toujours la densité de probabilité quantique. En outre,
on peut obtenir exactement la même dynamique des trajectoires, si on les considère comme
des trajectoires classiques soumises à un potentiel supplémentaire, appelé potentiel quantique,
qui dépend de la fonction d’onde quantique. Cette interprétation fournit ainsi un lien étroit
entre la mécanique quantique et la mécanique classique: en négligeant le potentiel quantique,
on retrouve les équations classiques habituelles de Newton ou de Hamilton.
La méthode consiste à utiliser ces trajectoires, associées à la fonction d’onde quantique,
pour calculer l’interaction avec un grand nombre de degrés de liberté classiques. Cette
méthode étant complètement nouvelle, des systèmes modèles de basse dimensionnalité ont été
considérés. Il s’agissait d’étudier des transitions nonadiabatiques ainsi qu’un modèle qui vise
à considerer les effets d’une surface non-rigide sur la dynamique de collision avec un atome.
Le travail le plus récent consiste à calculer la diffraction d’une molécule sur une surface. Dans
les exemples donnés, une comparaison avec des résultats quantiques est encore possible. Ces
comparaisons ont montré un accord encourageant entre la méthode approximative proposée et
131
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
des résultats quantiques complets, ce qui laisse présager un vaste champ d’applications pour
cette méthode.
8.2.3.4 Structure et dynamique de molécules organiques solvatées dans des petits
agrégats d'eau
Une autre ligne de recherche dans le domaine des interactions intermoléculaires et
dynamique, concerne l'étude de complexes à liaison hydrogène formés d'une molécule
polyatomique et d'un certain nombre de molécules d'eau. Etant donné l'importance en biologie
des propriétés structurales et dynamiques des liaisons hydrogène spécifiques entre molécules
organiques et molécules d'eau, il existe actuellement une activité expérimentale importante
dans ce domaine. En particulier, l'équipe de John Simons (Oxford) et celle de Michel Mons
(Saclay), utilisent des détentes supersoniques pour former les complexes et des techniques
laser de dépopulation (hole burning) à très haute résolution pour identifier les différents
conformères.
L'interprétation de ces résultats nécessite cependant une très forte interaction avec la
théorie, notamment pour ce qui est de la géométrie des conformères dans l'état fondamental et
des déplacements spectraux des transitions électroniques.
C'est dans ce contexte qu'une collaboration s'est établie avec le laboratoire de Physique
Quantique et l'équipe Millié, Brenner, Derepas du CEA (Saclay). La molécule polyatomique
choisie a été celle de l'acide formique (HCOOH) qui est un très bon système modèle pour
étudier les propriétés conformationnelles et électroniques des molécules organiques solvatées
dans l'eau : HCOOH est un des plus simples acide carboxylique. Les complexes avec un
nombre de molécules d'eau allant de 1 jusqu'à 6 ont été étudiés par une méthode MCSCF et
théorie de perturbations au second ordre (CASSCF/CASPT2). Les géométries d'équilibre, leur
énergie, ainsi que l'énergie des transitions électroniques verticales, ont été déterminées et les
résultats se comparent favorablement avec les données expérimentales existantes [13, 22].
Les travaux récents du groupe du CEA-Saclay ont montré qu'on pouvait, moyennant
une prise en compte intelligente des effets à plusieurs corps, dériver un potentiel semiempirique décrivant l'interaction chromophore-solvant dans l'état électronique fondamental,
en très bon accord avec des calculs ab initio sophistiqués. Il est donc possible d'étudier de
façon extensive la surface d'énergie potentielle, soit par des méthodes de dynamique
moléculaire, soit par des méthodes thermodynamiques de type Monte-Carlo, en utilisant ce
type de potentiels. On peut ensuite réaliser des calculs quantiques des états excités pour un
certain nombre de points particuliers dans cette surface. Ce travail, en collaboration avec
l'équipe de Saclay, est en cours de réalisation.
8.2.4 Projets
8.2.4.1 Processus inélastiques induits avec un STM
Les projets sont en relation directe avec l’ACI jeunes chercheurs. L’équipe se propose
d’étudier les effets inélastiques induits avec un STM sur des systèmes moléculaires. Cette
étude est divisée en trois volets. Le premier consiste à comprendre les effets inélastiques à
couplage faible. C’est le cas de la spectroscopie vibrationelle étudiée dans les références [27,
28, 34, 57]. Dans ces cas le courant tunnel excite des vibrations localisées sur les molécules
chimisorbées, ce qui permet de détecter un signal au seuil d’excitation vibrationel et la
détermination du spectre vibrationel d’une molécule chimisorbée. Le deuxième volet est le
couplage fort où les liaisons chimiques sont cassées, permettant la modification et la
manipulation de surfaces [58]. Finalement, le troisième volet met en jeu des effets à N-corps
132
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
et magnétiques qui peuvent permettre d’explorer de nouvelles méthodes de manipulation
atomiques et moléculaires.
Dans le cadre de l’ACI il est prévu de recruter, comment postdoctorants, Mathias
Hédouin qui fait sa thèse avec Mats Persson et Richard Palmer (thèse codirigée par Göteborg
et Birmingham). Une collaboration avec lui existe déjà sur l’étude de la chimisorption de
benzène sur Cu(100) et ses images STM [36]. Le but de ce travail est l’étude de la
déshydrogénation controlée du benzène. Expérimentalement on trouve des changements de
conformation du benzène chimisorbé et l’on soupçonne la formation de C6H4. Cet effet est
très important : initialement la molécule est faiblement liée (les calculs donnent une énergie
de chimisorption du benzene de seulement 0.68 eV sur Cu(100) ; pour comparaison, l’énergie
de l’acétylène sur la même surface est de 1.4 eV) et les effets inélastiques du STM arrivent à
attacher la molécule fortement. Après le travail initial [36] de compréhension des effets de
chimisorption du benzène sur Cu(100), voir figure ci-dessous, l’équipe se propose d’étudier
différents radicaux pour identifier les produits de la réaction avec le courant inélastique du
STM.
Image STM résolue état par état pour le cas d'une molécule de benzène sur surface de cuivre.
8.2.4.2 Application de la théorie des opérateurs d’onde aux états résonants
Le calcul des résonances du type Ar…I2 devient lourd avec une méthode de propagation
de paquets d’ondes pour des durées de vie élevées (plusieurs centaines de pico-secondes, soit
plusieurs milliers de périodes de vibration de I2 sur l’exemple Ar…I2). Une méthode type
close-coupling standard est utilisable tant que l’on ne traite pas un continuum multiple. Dans
le cas de la prédissociation électronique conduisant à la dissociation totale du système Ar+I+I,
cela n’est plus possible. Une solution alors consiste à utiliser un potentiel optique,
transformant la recherche des états résonant en un problème de diagonalisation de matrice
complexe symétrique.
Une telle méthode a été développée par X. Gadéa et Ph. Durand du laboratoire LPQ
(cf Gadéa, Durand, Gonzalez-Lezana, Delgado-Barrio, Villarreal, EPJD 15 (2001) 215). Cette
méthode permet par ailleurs de générer un hamiltonien effectif de petite dimension contenant
toutes les informations utiles sur la dynamique du système. Cette méthode a été utilisée
jusqu’à ce jour sur des problèmes modèles de dimensionalités réduites. L’objectif de ce
projet, qui sera réalisé en collaboration avec X. Gadéa (LPQ, Toulouse) et F. Gemperle
(Prague, Tchéquie), sera d’évaluer la performance de la méthode sur des problèmes plus
réalistes.
133
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
8.2.4.3. Dynamique du transfert de charges entre hydrogène muonique et oxygène
Une importante activité expérimentale s’est développée ces dernières années sur l’étude
des atomes et molécules muoniques obtenus par le remplacement d’un électron par un muon
négatif. La motivation de ces travaux est double : d’une part, ils servent de tests des théories
fondamentales de l’électrodynamique quantique et des interactions nucléaires : détermination
plus précise du rayon moyen, de la polarisabilité et du moment magnétique du proton,
distribution de la charge électrique dans les noyaux lourds, constante de l’interaction faible
des hadrons, vérification des équations relativistes à 3 corps… Par ailleurs, les réactions
impliquant des molécules muoniques ont été proposées pour la synthèse nucléaire (catalyse
muonique) et pour la production des neutrons très énergétiques pour le retraitement des
déchets nucléaires.
Récemment, C. Rizzo et D. Bakalov ont proposé une nouvelle méthode expérimentale
laser de mesure de la structure hyperfine de l’hydrogène muonique. Pour cela, un laser
infrarouge excite la transition de structure hyperfine F=0 → F=1 (0.18 eV). La détection de la
transition se fait indirectement au travers des processus de relaxation et de transferts
muoniques induits par collision avec le gaz environnant, notamment l’oxygène.
L’expérience étant très délicate, une modélisation préalable est indispensable. Un
élément fondamental de cette modélisation est la détermination du taux de transfert de charge
entre hydrogène muonique et le noyau d'oxygène : pµ + O8+ → Oµ7+ + p. L’idée du projet est
de réaliser le calcul de ce processus en réutilisant au maximum les outils développés dans le
cadre des complexes de Van der Waals et d’utiliser des méthodes de propagation de paquets
d’onde pour calculer les taux d’échange de charges. Néanmoins, quelques modifications
seront nécessaires : d’une part, le processus considéré ici conduit à un réarrangement complet
du système à 3 corps, similaire à une réaction chimique. D’autre part, le potentiel coulombien
utilisé ici, à la fois singulier à l’origine et à longue portée, peut nécessiter l’utilisation de
grilles spécifiques.
L’essentiel du travail sur ce thème sera réalisé par A. Dupays, doctorant dans l’équipe
depuis septembre 2001, en collaboration avec C. Rizzo du laboratoire et D. Bakalov (Sofia,
Bulgarie) dans le cadre contrat OTAN (NATO Collaborative Linkage Grant).
8.2.4.4 Spectroscopie de photoélectrons résolue en temps avec des impulsions
sondes de haute intensité.
Sur la base des résultats expérimentaux obtenus récemment dans l’équipe de T. Baumert
(Kassel, Allemagne), on se propose d’étudier les effets d’une impulsion sonde de haute
intensité dans le cas de la molécule Na2. La déformation des courbes de potentiels par le
champ intense mène à une dynamique de l’ionisation plus compliquée que dans le cas des
champs faibles. Notamment, le décalage du seuil d’ionisation par la force pondéromoteur va
modifier le spectre des photoélectrons obtenus. Avec des techniques de propagation de
paquets d’ondes dans plusieurs états électroniques couplés par le champ externe, ces
expériences vont être modélisées en collaboration étroite avec les expérimentateurs de
l’équipe de Kassel.
134
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
8.2.4.5 Contrôle de la prédissociation de NaI par une séquence d’impulsions
femtosecondes
En collaboration avec J. Degert, B. de Beauvoir, B. Girard (Toulouse) et M. Vrakking
(FOM, Amsterdam) un mécanisme de détection des fragments résolue en temps par la
méthode pompe-sonde a été mis en évidence. Si on applique une ou plusieurs impulsions
supplémentaires entre l'impulsion pompe et l'impulsion sonde, la dynamique de la
dissociation va être modifiée. Le projet consiste à étudier si ces modifications de la
dissociation sont détectables par une impulsion sonde qui ionise le système.
8.2.4.6 Simulation des spectres de photoélectrons avec traitement classique de la
dynamique des noyaux
Un traitement quantique des systèmes à haute dimensionalité étant souvent impossible,
un traitement classique de la dynamique des noyaux induite par des impulsions
femtosecondes donne la possibilité d’étudier des grands systèmes comme des molécules
polyatomiques ou des agrégats. Par une approche systématique en passant par la
transformation de Wigner, il est possible d’inclure des effets d’une impulsion à dérive de
fréquences linéaire dans ce formalisme. Pour tester cette nouvelle approche, on se propose de
calculer le spectre de photoélectrons résolu en temps dans le cas de la dissociation de la
molécule H2O, à l’aide d’une simulation basée entièrement sur la dynamique classique des
noyaux.
8.3. Conclusions et perspectives.
Depuis le dernier rapport à 4 ans, l'activité de l'équipe s'est développée dans plusieurs
directions complémentaires. D'une part, suite à l'obtention d'une ACI blanche en septembre
2001, une nouvelle opération de recherche dirigée par N. Lorente sur l'étude des processus
inélastiques induits par la technique STM dans des nano-objets déposés sur des surfaces, a été
mise en place. Des résultats très intéressants ont déjà été obtenus pour le cas de la molécule
d'oxygène déposée sur une surface d'argent, où il a été montré que la dynamique de
dissociation dépend du sens du champ électrique entre la pointe du STM et la surface.
Dans le domaine de la dynamique des processus moléculaires ultrarapides induits par
des impulsions laser, l'activité a été très intense en particulier sur les effets d'une impulsion à
dérive de fréquence qui permet de détecter le sens du mouvement d'un paquet d'ondes et sur le
principe de contrôle cohérent avec des impulsions taillées. Depuis son arrivée au laboratoire
en janvier 2000, Bruno Lepetit a mis en route a développé des techniques de propagation des
paquets d’onde pour étudier des processus de dynamique moléculaire réactifs et inélastiques
impliquant plusieurs états électroniques. Plus récemment, l'équipe a développé une méthode
complètement nouvelle de dynamique hybride quantique/classique en utilisant les trajectoires
de de Broglie-Bohm, qui a été appliquée avec succés à plusieurs systèmes modèles.
Du point de vue expérimental, les avancées techniques de conditionnement des
impulsions femtosecondes mises en oeuvre dans plusieurs laboratoires permettent le
développement des nouvelles voies de recherche : il s’agit de ne plus seulement initier et
détecter la dynamique, mais aussi de la contrôler (contrôle cohérent). La possibilité d’une
fragmentation contrôlée par des impulsions laser mises en forme a été récemment démontrée
expérimentalement dans un système en phase gazeuse. Actuellement, un grand nombre
135
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
d’études expérimentales physiques et physico-chimiques de ce type sont en cours et
nécessitent un grand effort d’interprétation théorique.
Le contrôle étant basé sur la cohérence de la dynamique de fragmentation avec la
source laser, il est évident que ce mécanisme n’est pas facilement applicable en solution, où
l’interaction avec l’environnement donne lieu à une forte décohérence du système quantique.
Une étude détaillée d’un système quantique en interaction d’une part avec un environnement
et d’autre part avec un champ intense de forme spécifique est donc indispensable pour
élaborer des mécanismes de contrôle des réactions en solution. Sur le plan théorique, la
difficulté réside dans le fait que ces processus impliquent un grand nombre de degrés de
liberté et qu’en même temps, il faut tenir compte d’impulsions d’une forme extrêmement
compliquée. Même si certains des effets quantiques sont négligeables, il faut néanmois
trouver une façon d’inclure l’excitation avec de telles impulsions dans le formalisme classique
des noyaux. En outre, sur le plan théorique, il reste à explorer dans quelle mesure un
traitement purement classique peut être utilisé dans le domaine du contrôle cohérent. Si des
effets quantiques sont au coeur de ces mécanismes, seules les approches mixtes, qui traitent le
système réactionnel quantiquement et l’interaction avec un grand nombre d’autres degrés de
liberté classiquement peuvent servir comme base pour les modélisations de ces expériences
extrêmement prometteuses. Les activités de l'équipe s'inscrivent en grande partie dans ce
contexte.
8.4. Publications
8.4.1 Publications dans des revues à comité de lecture
[1]
Meyer S., Meier C., Engel V., Photoelectron distributions from femtosecond
pump/probe excitation with chirped pulses, J. Chem. Phys. 108, 7631-36 (1998).
[2]
Meier C., Engel V., Beswick J.A., Single collision caging of dissociating I2: wavepacket calculations and simulations of pump-probe spectra, Chem. Phys. Lett. 287, 48795 (1998)
[3]
Meier C., Engel V., Manthe U., An effective method for the quantum mechanical
description of photoionization with ultrashort laser pulses, J. Chem. Phys. 109, 36-41
(1998)
[4]
Beswick J.A., Vasyutinskii O., Long range interatomic interactions studied by polarized
photofragments techniques, Comments in Atomic and Molecular Physics 42, 69 (1998)
[5]
Fernandez-Alberti S., Halberstadtd N., Beswick J.A., Echave J., A theoretical study of
photodissociation and geminate recombination of ICN in solid Ar, J. Chem. Phys. 109,
2844-50 (1998)
[6]
Bastida A., Zuniga J., Requena A., Halberstadt N., Beswick J.A., “Vibrational
Predissociation of the I2...Ne2 cluster: A Molecular Dynamics with Quantum Transitions
Study,” J. Chem. Phys., 109, 6320-28 (1998).
[7]
Zamith S., Meier C., Halberstadtd N., Beswick J.A., “Time Dependent Wave Packet
Study of the One-Atom Cage Effect in I2-Ar Van der Waals Complexes,” J. Chem.
Phys. 110, 960-65 (1999)
[8]
Meier C., Tannor D.-J., “Non-Markovian time evolution of the density operator in the
presence of strong laser pulses”, J. Chem. Phys. 111, 3356-76 (1999)
136
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
[9]
Nicole C., Bouchène M.-A., Magnier S., Meier C., Schreiber E., Girard B.,
“Competition of different ionization pathways in K2 studied by ultrafast pump-probe
spectroscopy : A comparison between theory, experiment”, J. Chem. Phys. 111, 785764 (1999)
[10] Bastida A., Zuniga J., Requena A., Halberstadtd N., Beswick J.A., “Competition
Between Electronic and Vibrational Predissociation in Ar-I2(B): A Molecular Dynamics
with Quantum Transitions Study”, Chem. Phys. 240, 229-39 (1999).
[11] Castells V., Atabek O., Beswick J.A., “Theoretical Description of the Interaction of CO
Adsorbed on a n(=1,2)Ar/Pt Substrate : The Transition from Chemi-to-Physisorption”,
J. Chem. Phys. 110, 4907-19 (1999)
[12] Fernandez-Alberti S., Halberstadtd N., Beswick J.A., Bastida A., Zuniga J., Requena
A., “Intramolecular vibrational redistribution and fragmentation dynamics of
I2Nen(n=2-6) clusters”, J. Chem. Phys. 111, 239-44 (1999).
[13] Velardez G., Heully J.-L., Beswick J.A.,.-A., Daudey J.-P., “Ab initio study of the
π*←n electronic transition in formic acid-(water)n (n=1,2) hydrogen bonded
complexes”, Phys. Chem. Comm. 6 (1999)
[14] Ermoshin V.-A., Engel V., Meier C., “Collision-induced bound state motion in I2. A
classical molecular dynamics study”, J. Chem. Phys., 113, 6585-91 (2000).
[15] Bastida A., Zuniga J., Requena A., Halberstadtd N., Beswick J.A., “Mixed Quantum
Classical Steps : a DVR hopping method”, Phys. Chem. Comm. 7 (2000).
[16] Fernandez-Alberti S., Echave J., Halberstadtd N., Beswick J.A., Engel V., “Hybrid
Quantum/Classical Study of ICN in an Ar matrix : Photofragmentation, Cage Exit”,
J. Chem. Phys. 113, 1027-34 (2000).
[17] Helbing J., Chergui M., Fernandez-Alberti S., Echave J., Halberstadtd N., Beswick J.A.,
“Caging and excited state emission of ICN trapped in cryogenic matrices : experiment,
theory”, Phys. Chem. Chem. Phys. 2, 4131-38 (2000)
[18] Gindensperger E., Meier C., Beswick J.A., “Mixing quantum, classical dynamics using
Bohmian trajectories”, J. Chem. Phys. 113, 9369-72 (2000).
[19] Ermoshin V.-A., Engel V., Meier C., “Oscillatory pump-probe signale from delocalized
wave packets”, J. Chem. Phys., 113, 5770-75 (2000).
[20] Degert J., Meier C., Vrakking M.-J.-J., Girard B., “Time dependent fragment
distributions detected via pump-probe ionization : a theoretical approach”, EPJD, 14,
257-65 (2001).
[21] Meier C., Manthe U., “A full-dimensional quantum study of the vibrational
predissociation of the I2Ne2 cluster”, J. Chem. Phys. 115, 5477-84 (2001).
[22] Velardez G., Ferrero J.-C., Beswick J.A.,.A., Daudey J.-P., “Ab Initio Study of the
Structures, π*←n Electronic Transition in Formic Acid- (Water)n (n=3,4, 5) Hydrogen
Bonded Complexes”, J. Phys. Chem. A 105, 8769-74 (2001).
[23] Roncero O., Lepetit B., Beswick J.A., Halberstadtd N., Buchachenko A., “Ar…I2(X) →
Ar + I2(B) photodissociation : Comparison between linear, T-shape isomers dynamics”,
J. Chem. Phys. 115, 6961-63 (2001).
137
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
[24] Poteau, R., F. Alary, H. Abou El Makarim, J. L. Heully, J. C. Barthelat and J. P.
Daudey, “Effective group potentials. 2. Extraction and transferability for Chemical
groups involved in covalent or donor-acceptor bonds.” J. Phys. Chem. A 105: 206-214.
(2001).
[25] Poteau, R., I. Ortega, F. Alary, A. Ramirez Solis, J. C. Barthelat and J. P. Daudey,
“Effective group potentials. 1. Method.” J. Phys. Chem. A 105: 198-205. (2001).
[26] Ramirez-Solis, A., V. Vallet, C. Teichteil, T. Leininger and J. P. Daudey, “Accurate ab
initio study on the spectroscopy of Ag and Ag+ including spin-orbit couplings aimed at
molecular calculations.” Journal of Chemical Physics 115: 3201-3207 (2001).
[27] N. Lorente, M. Persson, L. J. Lauhon et W. Ho, “Symmetry selection rules for
vibrationally inelastic tunneling,” Physical Review Letters 86, 2593-6 (2001).
[28] B. I. Lundqvist, A. Bogicevic, K. Carling, S. V. Dudiy, S. Gao, J. Hartford, P.
Hyldgaard, N. Jacobson, D. C. Langreth, N. Lorente, S. Ovesson, B. Razaznejad, C.
Ruberto, H. Rydberg, E. Schroder, S. I. Simak, G. Wahnstrom et Y. Yourdshahyan,
“Density-functional bridge between surfaces and interfaces,” Surface Science 493, 25370 (2001).
[29] Gindensperger E., Meier C., Beswick J.A., “Quantum-classical description for
continuum states using Bohmian trajectories”, J. Chem. Phys. 116, 8-13 (2002).
[30] Beswick J.A., “Quantum hopping techniques applied to vibrational energy transfer”,
Comp. Phys. Comm. (sous presse).
[31] Lepetit B., Roncero O., Buchachenko A., Halberstadtd N, Beswick J.A., “Electronic and
vibrational predissociation in ArI 2 photodissociation dynamics,” J. Chem. Phys.
(Soumis).
[32] Lévêque G., Meier C., Mathevet R., Robilliard C., Weiner J., Girard C., Weeber J.-C.,
“Atomic diffraction from nanostructural optical potentials,” Phys. Rev. A (sous presse).
[33] Bastida A., Zuniga J., Requena A., Miguel B., Beswick J.A., Vigué J., Halberstadtd.N,
“Molecular dynamics simulation of the I2(X)…Ar isomers population in a free-jet
expansion : Thermodynamics versus kinetic control,” J. Chem. Phys. (sous presse).
[34] Olsson F.-E., Lorente N., Persson M., “STM images of molecularly and atomically
chemisorbed oxygen on silver,” soumis à Surface Science.
[35] Olsson F.-E., Lorente N., Persson M., Lauthon L.-J., Ho W., “ STM images and
chemisorption bond parameters of acetylene, ethynyl and dicarbon chemisorbed on
copper,” soumis à Journal of Chemical Physics.
[36] Hedouin M.-F.-G., Palmer R.-E., Persson M., Lorente N., “Calculations of
chemisorption and STM images of C6H6 on Cu(100)”, soumis à Journal of Chemical
Physics.
[37] Gindensperger E., Meier C., Beswick J.A., M-C. Heitz,.“Quantum-classical description
of rotational diffractive scatering using bohmian trajectories: comparison with full
quantum wave packet results”, J. Chem. Phys. (sous presse).
[38] Balint-kurti G., Orr-Ewing E.J., Beswick J.A., Brown A., Vasyutinskii O.S.,“Vector
correlations and alignment parameters in the photodissociation of HF”, J. Chem. Phys.
(sous presse).
138
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
8.4.2 Autres publications
[39] Beswick J.A., Roncero O., Halberstadtd.N, “Photofragmentation of weakly boud
complexes”, in Advances in multiphoton processes and spectroscopy, edité par Lin S.H., Villaeys A., FujimuraU Y., vol. 11 (1998).
8.4.3 Publications de membres de l'équipe réalisées dans d'autres laboratoires
[40] Périole, X., D. Allouche, A. Ramirez-Solis, I. Ortega-Blake, J. P. Daudey and Y. H.
Sanejouand, “New effective potentials extraction method for the interaction between
cations and water.” J. Phys. Chem. B 102: 8579-8587 (1998).
[41] Ismail, N., J. L. Heully, T. Saue, J. P. Daudey and C. J. Marsden, “Theoretical studies of
the actinides : method calibration for the UO2+2 and PuO2+2 ions.” Chemical Physics
Letters 300: 296-302 (1999).
[42] Suaud, N., H. Bolvin and J. P. Daudey, “Ab initio calculations of the magnetic coupling
between a Ni(II) ion and two nitroxide radicals in cis and trans positions.” Inorg. Chem.
38: 6089-6095 (1999).
[43] Alary, F., R. Poteau, J. L. Heully, J. C. Barthelat and J. P. Daudey, “A new method for
modelling spectatot chemical groups in ab initio calculations : effective group
potentials.” Theor. Chem. Accounts 104: 174-178 (2000).
[44] Casida, M. E., Gutierrez F., Jingang G., Gadéa F. X., Salahub D. and Daudey J. P.,
“Charge-transfer correction for improved time-dependent local density approximation
excited-state potential energy curves : analysis within the two-level model with
illustration for H2 and LiH.” Journal of Chemical Physics 113 : 7062-7071 (2000).
[45] Lhiaubet, V., F. Gutierrez, F. Penaud-Berruyer, E. Amouyal, J. P. Daudey, R. Poteau,
N. Chouini-Lalanne and N. Paillous, “Spectroscopic and theoretical studies of the
excited states of Fenofibric acid and Ketoprofen in relation with their photosensitizing
properties.” New Journal of Chemistry 24: 403-410 (2000).
[46] Ramirez-Solis, A. and J. P. Daudey, “The spectroscopy of AgF : CASSCF + CASPT2
calculations on the lowest 3Σ+, 1Σ+, 3Π, 1Π, 3∆, and 1∆ excited states.” Journal of
Chemical Physics 113 (19): 8580-8588 (2000).
[47] M. A. Cazalilla, N. Lorente, R. Diez Muino, J. P. Gauyacq, D. Teillet Billy et P. M.
Echenique, “Theory of Auger neutralization and deexcitation of slow ions at metal
surfaces,” Physical Review B (Condensed Matter) 58, 13991-4006 (1998).
[48] N. Lorente, M. A. Cazalilla, J. P. Gauyacq, D. Teillet Billy et P. M. Echenique, “Auger
neutralization and de-excitation of helium at an aluminium surface: a unified
treatment,” Surface Science 411, L888-93 (1998).
[49] N. Lorente, D. Teillet Billy et J. P. Gauyacq, “Charge transfer as responsible for H+2
dissociation on aluminum surfaces,” Surface Science 402, 197-201 (1998).
[50] J. Merino, N. Lorente, M. Gusev, F. Flores, M. Maazouz, L. Guillemot et V. A.
Esaulov, “Charge transfer of slow H atoms interacting with Al: dynamical charge
evolution,” Physical Review B (Condensed Matter) 57, 1947-56 (1998).
[51] W. More, J. Merino, N. Lorente, F. Flores et M. Gusev, “Resonant processes between
He atoms scattering off Al surfaces,” Bulletin of the Russian Academy of Sciences.
Physics 62, 605-10 (1998).
139
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
[52] N. Lorente, A. G. Borisov, D. Teillet Billy et J. P. Gauyacq, “Parallel velocity assisted
charge transfer: F- ion formation at Al(111) and Ag(110) surfaces,” Surface Science
429, 46-53 (1999).
[53] N. Lorente, D. Teillet Billy et J. P. Gauyacq, “Theoretical studies of charge transfer in
molecular ion-metal surface collisions,” Nuclear Instruments & Methods in Physics
Research, Section B (Beam Interactions with Materials and Atoms) 157, 1-10 (1999).
[54] N. Lorente, D. Teillet Billy et J. P. Gauyacq, “H2+ scattered off Al surfaces: The role of
2
+
the negative ion resonance Σu ” Journal of Chemical Physics 111, 7075-83 (1999).
[55] N. Lorente, D. Teillet Billy et J. P. Gauyacq, “The N2-(2Πg) shape resonance in slow
N2* collisions with metallic surfaces,” Surface Science 432, 155-69 (1999).
[57] N. Lorente et M. Persson, “Theory of single molecule vibrational spectroscopy and
microscopy,” Physical Review Letters 85, 2997-3000 (2000).
[58] N. Lorente et M. Persson, “Theoretical Aspects of Tunneling-Current Induced Bond
Excitation and Breaking at Surfaces,” Faraday Discussion of the Chemical Society 117,
277 (2000).
8.5. Conférences invitées, cours et écoles thématiques
[C1]
Meier C., Symposium on theories of quantum dissipation, Israel, Février 1998.
[C2]
Beswick J.A., Conférence Ibérique de Physique, Coimbra, Mai 1998.
[C3]
Meier C., Journée de Spectroscopie Moléculaire et 3ème DIAM, Reims, Juillet 1998.
[C4]
Beswick J.-A., MOLEC XII, Bristol, Septembre 1998.
[C5]
Beswick J.-A., Colloque France-Taiwan, Orsay, Octobre 1998.
[C6]
Beswick J.-A., 6ème réunion de Chimistes Théoriciens, Lille, Octobre 1998.
[C7]
Lorente N., Twelfth International Workshop on Inelastic Ion-Surface Collisions, South
Padre Island, Texas, USA, January 24 to 29, 1999.
[C8]
Lorente N., European Research Conferences: Particle-Solid Interactions: Dynamic
Phenomena, San Sebastián, Spain, September 1999.
[C9]
Daudey J.-P.,Théorie et spectroscopie , Garchy, France, 6-10 Novembre 1999
[C10] Lorente N., Future developments in the Study of structure-property relations by
'computational crystallography', Lyon, October 2000.
[C11] Lorente N., Yk 2000 conference: Ab-initio (from Electronic Structure) Calculations
of Complex Processes in Materials, Schwäbisch, Gmünd, Germany, August 2000.
[C12] Meier C., DYNAM 2000, Arcachon, Juin 2000.
[C13] Beswick J.-A., FIrst International meeting on photodynamics, La Havana, Cuba,
Février 2000.
[C14] Daudey J.-P., Formation modélisation CEA/CNRS , Méjeannnes la Clape, Septembre
2000.
[C15] Daudey J.-P., 3ième réunion ISTCTP, Mexico, Novembre 2000
140
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
[C16] Meier C., Post graduate Course on TheorETical Chemistry and Spectroscopy, Hansur-Lesse, Belgique, décembre 2001.
[C17] Daudey J.-P., European Conference on Heavy Metals, Kerkkrade (Hollande) Avril
2001
[C18] Daudey J.-P., Rencontre modelisation CEA , Saclay Juin 2001.
[C19] Daudey J.-P., International workshop on modelisation, CEA, Saclay 21-22 Janvier
2001.
[C20] Daudey J.-P., Journée thématique Théorie et spectroscopie des radicaux , Marseille
Luminy, Septembre 2001
[C21] Daudey J.-P., 7ième Université d’été de PhysicoCimie Théorique, Aussois, France, 30
Septembre- 5 Octobre 2001
[C22] Lorente N., Yk 2002 workshop: Total energy methods in Computational Condensed
Matter, La Laguna, Tenerife, Spain, January 2002.
8.6. Organisation de réunions scientifiques
Beswick J.-A. organisateur, Journées scientifiques sur la dynamique réactionnelle des
Universités de Bordeaux, Toulouse, Montpellier et Pau, juillet 1998.
Beswick J.-A. co-organisateur, DYNAM 2000, réunion satellite du Xth International
Conference on Quantum Chemistry, Arcachon, Mai 2000.
8.7. Collaborations, contrats et soutiens financiers
Programme ECOS-Sud Franco-Argentin, 1997 - 2001.
Action Intégrée Alliance du MAE, J. Simons (Oxford), 1998 - 1999.
Action Intégrée Picasso du MAE, A. Requena (Murcia), 1998 - 1999.
Action Intégrée Picasso du MAE, G. Delgado-Barrio (Madrid), 2000 - 2001.
Action Intégrée Procope du MAE, V. Engel (Wurzburg), 1998 - 1999.
Contrat INTAS, O. Vasyutinskii (St. Petersburg), A. Buchachenko (Moscu), 1999 - 2002.
Contrat OTAN, D. Balakov (Sofia, Bulgarie), 2002 - 2003.
ACI Jeunes (responsable : N. Lorente), 2002 - 2003
NOI (responsable : N. Lorente), 2001.
141
Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires
142
9. Collisions froides électron – molécule à haute résolution avec
des photoélectrons synchrotron
Travail hors équipe : Jean-Pierre Ziesel (DR2)
Collaboration 1998-2001
David Field
(IFA et ACAP, University of Aarhus)
Stuart Lunt
(ISA, University of Aarhus puis Thermo-VG Scientific R&D Labs)
Nykola Jones
(IFA, University of Aarhus)
Nigel Mason
(University College London)
Thomas Field
(The Queen’s University, Belfast)
Søren Vrønning Hoffmann (ISA, University of Aarhus)
Réseau Européen 2002-2005: Electron and Positron Induced Chemistry
9.1. Introduction
Le but de ce programme est l'étude expérimentale de la diffusion totale et de l'excitation
vibrationnelle des molécules, à des énergies du faisceau d'électrons entre quelques meV et 10
eV et avec une résolution de l’ordre du meV. Cette haute résolution est nécessaire pour l'étude
des ions négatifs transitoires à longue durée de vie, pour la forme de l'excitation
rovibrationnelle près du seuil et pour la variation de la section efficace de diffusion totale vers
les très basses énergies. Ces études ont commencé sur l'anneau LURE-ACO en 1982 et se
sont poursuivies à LURE-SuperACO jusqu'à fin 1993 et à Daresbury-SRS jusqu'à fin 1997.
Les appareils ont depuis été transférés sur l'anneau synchrotron ISA-Astrid de l'université
d'Aarhus (Danemark) qui dispose d'une ligne Onduleur VUV. L’originalité de notre
expérience de diffusion totale à Aarhus est :
- la mesure des sections efficaces absolues, intégrale (diffusion de 0 à 180°) et vers l’arrière
(90-180°), ce qui nous permet le calcul des paramètres de diffusion;
- la très haute résolution (1 meV) pour une meilleure précision aux très basses énergies où les
sections efficaces, incluant un facteur E-α, peuvent croître très rapidement;
- une limite en énergie d’environ 5 meV, dans un régime de collisions froides où la longueur
d’onde de de Broglie de l’électron est, par exemple, comparable à celle d’un atome de Rb de
quelques 10-4K.
Dans notre source, l'argon est photoionisé à 786,5 Å près du seuil 2P3/2 et le faisceau
d'électrons produits dans une bande passante étroite est extrait et focalisé dans une chambre
de transmission pour la diffusion totale. L’appareil EMS utilisé depuis 1996 à Daresbury et
maintenant à Aarhus [9] est une variante modernisée (figure 1) du spectromètre de
transmission de LURE (développé au LCAM, Orsay, en 1982 et 1989). La variation des
sections efficaces intégrales avec l'énergie est obtenue par atténuation du faisceau par
collision sur le gaz; avec l'addition d'un champ magnétique axial, nous mesurons la diffusion
totale vers l'arrière. La valeur absolue de ces sections efficaces est obtenue par mesure de la
pression du gaz dans la chambre de transmission. Les sections efficaces absolues intégrales et
vers l'arrière (avec champ magnétique axial de 20G) sont mesurées typiquement dans les
domaines d'énergie 20meV-10eV et 5meV-650meV.
143
Collisions froides électron-molécule à haute résolution avec des photoélectrons synchrotron
Detection
Optics
Collision
Region
Four element
Zoom Lens
Photoionisation
Region
Electron Beam
hν
Channeltron
Figure 1. Dispositif expérimental EMS
L’intérêt de l’anneau Astrid est la présence sur une branche de la ligne Onduleur VUV
d’un monochromateur à réseau sphérique optimisé à notre longueur d'onde. Cette ligne SGM2
[13] a été testée avec notre appareil et dès 1999, nous avons obtenu une résolution ultime de
0,75 meV, mesurée sur la résonance autoionisante Ar** 11s de largeur naturelle 0,09 meV
(figure 2). Dans les conditions d’expérience, nous travaillons avec une résolution de 1 meV
correspondant au meilleur compromis, l’intensité étant 50 fois plus élevée que sur la ligne
dipolaire VUV-3.2 à SRS-Daresbury.
Figure 2. Spectre de photoélectrons près des seuils d’ionisation 2P de l’argon,
obtenu sur la ligne Astrid-SGM2 (fentes de 10µ) avec l’appareil EMS.
144
Collisions froides électron-molécule à haute résolution avec des photoélectrons synchrotron
9.2. Quelques résultats récents
Les résultats de diffusion totale, dominée à basse énergie par le processus purement
élastique dans les molécules non-polaires, sont analysés et comparés avec la théorie MERT
("Modified Effective Range Theory") de O'Malley où l'interaction électron-molécule est
représentée par un potentiel de polarisation -α /r4. Les déphasages des différentes ondes
partielles (ℓ= 0,1,2..) sont exprimés en fonction de quelques paramètres dont le plus important
est la longueur de diffusion Ao. Une fois ce groupe de paramètres obtenu par ajustement avec
les résultats expérimentaux, les sections efficaces non mesurées peuvent être calculées; en
particulier, la section efficace intégrale élastique σT(0) à énergie nulle est égale à 4πAo2. Dans
les molécules, en particulier polaires, où l'analyse MERT ne peut rendre compte des sections
efficaces mesurées, les mesures sont alors comparées aux calculs de l'excitation rotationnelle
par l’approximation de Born ("point-dipole") et de l'attachement électronique par l'onde
partielle s.
9.2.1. Excitation rotationnelle de molécules polaires
L’interaction à longue distance electron–dipole µ induit la rotation . La section efficace
d’excitation rotationnelle est proportionnelle à µ2 / k2, où k est le vecteur d’onde de l’électron,
et peut devenir très grande vers les basses énergies (figure 3), par exemple 1500 Å2 dans les
benzènes halogénés C6H5X à 30 meV [5]. Les comparaisons avec les calculs par la 1ère
approximation de Born montrent que celle-ci sous-estime systématiquement la section
efficace vers l’arrière; cet écart s’interprète par le poids trop élevé des ondes partielles de
grand ℓ à basse énergie, donnant un caractère de diffusion vers l’avant trop accentué.
1600
Total Integral Cross-Sections
Backward Cross-Section
Born calculations for total integral scattering
Born calculations for backward scattering
Cross-section /10-20 m2
1400
1200
1000
CH3NO2
800
µ = 3.46 D
600
400
200
0
0
0.1
0.2
0.3
Energy /eV
0.4
Figure 3. Sections efficaces intégrale et vers l’arrière de diffusion totale
dans le nitrométhane (10-20 m2=1 Å2).
145
0.5
Collisions froides électron-molécule à haute résolution avec des photoélectrons synchrotron
Dans OClO [6], C6H5NO2 [7], CF3Cl [10] une décroissance de la diffusion totale est observée
dans un petit domaine d’énergie, par exemple autour de 0,04 ev dans le dioxyde de chlore
(figure 4). Dans ces molécules polaires, l’excitation rotationnelle est prédominante à basse
énergie, comme montré par le bon accord entre les calculs par la théorie de Born et la
diffusion totale intégrale jusqu’à 0,1eV (figure 4 : courbes du haut). Nous suggérons que ces
structures sont dues à une interférence destructive entre deux voies d’excitation rotationnelle,
l’une étant l’excitation directe de type Born et l’autre une excitation résonante par
l’intermédiaire d’un ion négatif de courte durée de vie. Cependant aucun calcul théorique
permettant la compréhension de cet effet n’existe.
Figure 4. Sections efficaces intégrale (haut) et vers l’arrière (bas) de
diffusion totale dans OClO: expérimentales (cercles) et calculées (lignes).
9.2.2. Attachement électronique [14]
Dans CCl4 et CFCl3, l’attachement électronique dissociatif vers un fragment Cl- stable
est observé avec une très grande section efficace vers l’énergie zéro [420 Å2 pour Cl- / CFCl3
à 15 meV, valeur obtenue indirectement par normalisation, Hotop 2001]. En diffusion totale,
nous mesurons des sections efficaces intégrales environ deux fois plus grandes mais le rapport
section efficace vers l’arrière / section efficace intégrale devenant égal à 1 en-dessous de 16
meV indique cependant que le processus prédominant est alors devenu l’attachement. Nos
sections sont également supérieures à la section limite d’attachement-s égale à Π / k2. Ces
désaccords pourraient s’expliquer soit par une contribution de l’onde p à l’attachement
dissociatif, soit par un processus supplémentaire d’attachement à longue durée de vie
(quelques µs au moins) avec déplacement de l’ion négatif transitoire hors de vue du collecteur
avant éjection de l’électron.
9.2.3. Diffusion élastique et état virtuel [10-12]
Dans des molécules non-polaires et sans processus d’attachement à très basse énergie, la
section efficace de diffusion élastique peut néanmoins prendre une valeur élevée par l’effet
d’un état virtuel [Morrison, Adv. At. Mol. Phys. 24 (1987) 51]. Ce type d’état est produit par
le potentiel électron(ℓ=0)-molécule dont le puits est presque assez profond pour supporter un
état lié. Il provoque un déphasage ηo de l’onde s, d’où une section efficace élastique intégrale
égale à 4πsin2ηo/k2 dans un potentiel à symétrie sphérique. Expérimentalement, la diffusion
146
Collisions froides électron-molécule à haute résolution avec des photoélectrons synchrotron
par état virtuel se caractérise par un rapport arrière / intégrale de 0,5 et une longueur de
diffusion Ao grande et négative. Dans CO2 (figure 5), nous observons un rapport arrière/
intégrale de 0,4 à 5 meV, indiquant qu’il reste une contribution p d’environ 5%, Ao = -3,32 Å
et une section efficace intégrale augmentant rapidement à très basse énergie vers une valeur
limite supérieure à 120 Å2, en bon accord avec un calcul ab initio (Mazevet et al 2001).
160.0
Cross-Section / 10
-20
m
2
140.0
120.0
100.0
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Energy (eV)
Figure 5 . Sections efficaces expérimentales de diffusion totale
dans le dioxyde de carbone : intégrale (o) et vers l’arrière (●).
9.3. Perspectives
Ces expériences, qui sont centrées sur la physico-chimie atmosphérique et du milieu
interstellaire, vont se poursuivre sur la ligne SGM2 de l'anneau synchrotron ISA-Astrid de
l'Université d'Aarhus (www.isa.au.dk). Les études prévues pour les prochaines années sont
orientées vers:
- sections efficaces absolues de diffusion totale dans H2O et H2CO, les hydrocarbures
substitués (tels les méthanes CH3Cl, CH3I, CH3CN), les hydrocarbures cycliques
(CycloOctaTétraène) ou substitués tel le paradinitrobenzène et les PAH (Hydrocarbures
PolyAromatiques) simples. Dans des petits PAHs comme le naphtalène et l’anthracène [12],
une croissance rapide de la diffusion totale est observée vers les basses énergies. Ces
molécules symétriques ne possédant pas de moment dipolaire, le processus peut être la
diffusion élastique par état virtuel ou l’attachement ; on peut remarquer que, dans certains cas
(SF6, Gauyacq et Herzenberg 1984 ; C60, Gianturco 1999, Fabrikant et Hotop 2001), un état
virtuel est le portail d’entrée vers l’attachement s. Si une dissociation en ion négatif stable est
possible ou si la durée de vie est suffisamment grande pour une stabilisation radiative, ce
processus pourrait modifier le taux de formation de molécules par recombinaison d’ions
protoniques dans le milieu interstellaire.
- excitation vibrationnelle (CO2, OCS, CS2, HCl, H2O, H2S, CH4, CH3I, SF6...) et électronique
(He, H2) près des seuils : la résolution de 1 meV, d’un ordre de grandeur supérieure aux
expériences d’autres groupes, devrait nous permettre une détermination plus précise des
fonctions de seuil et des structures fines pour une comparaison plus directe avec les calculs
théoriques.
- transmission d’électrons à travers des molécules condensées: certaines molécules, comme
les PAH lourds, ont une tension de vapeur trop faible à température ambiante pour être
étudiées dans notre chambre de transmission. Des couches moléculaires seront condensées sur
147
Collisions froides électron-molécule à haute résolution avec des photoélectrons synchrotron
un substrat de Ta refroidi et la transmission de notre faisceau d’électrons à travers les couches
d’adsorbat mesurée. Cette méthode est bien adaptée à la détection de l’attachement à très
basse énergie. De plus, les produits de l’irradiation par électrons pourront être analysés par
désorption thermique et spectromètre de masse quadrupolaire. Les molécules étudiées seraient
dans un premier temps des PAHs lourds comme le pérylène, coronène ainsi que d’autres
molécules astrochimiques ( éthanol, acétonitrile, formaldéhyde, glycoaldéhyde) pures ou sur
couches de glace amorphe, en collaboration avec J.-L. Lemaire (Université de CergyPontoise) et S. Leach (Observatoire de Meudon). Dans le futur, ce travail sera étendu aux
dégâts dans les biomolécules, en collaboration avec le Laboratoire "Lésions des Acides
Nucléiques" (CEA-Grenoble). Ce nouvel appareil EMS, qui garde la capacité d’étudier la
transmission en phase gazeuse, est en cours de construction et devrait être testé lors des runs
de fin 2002.
Le projet de diffusion totale e+ - molécule sur la ligne de positrons lents d'ISA (cf.
rapport d’activité LCAR 1999-2000), pour lequel nous avions construit l’optique de transport
et la chambre de transmission, a été abandonné. En effet, le temps de piégeage des positrons
dans la trappe de Penning cryogénique (collaboration EuroTrap) n’a pu dépasser quelques
secondes, rendant impossible l’obtention d’un faisceau pulsé d’intensité suffisante.
9.4. Publications dans des revues à comité de lecture
9.4.1. Publications dans des revues à comité de lecture
[1]
Gulley R. J., Lunt S. L., Ziesel J.-P., Field D.,Very low energy electron scattering from
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[2]
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[3]
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(1998).
[4]
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Collisions froides électron-molécule à haute résolution avec des photoélectrons synchrotron
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[11] Field D., Jones N. C., Lunt S. L., Ziesel J.-P., Experimental evidence for a virtual state
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[12] Field D., Ziesel J.-P, Lunt S. L., Parthasarathy R., Suess L., Hill S. B., Dunning F. B.,
Lucchese R. R., Gianturco F. A., Very low energy electron scattering from benzene:
experiment and theory, J. Phys. B, 34, 4371-4381 (2001).
[13] Hoffmann S. V., Lunt S. L., Jones N. C., Field D., Ziesel J.-P., An undulator based
spherical grating monochromator beamline optimized for low energy electron-molecule
scattering experiments, à soumettre à Rev. Sci. Instr.
9.4.2. Publications dans des actes de congrès et autres revues
[1]
Gulley R.J., Field T.A., Steer W.A., Mason N.J., Lunt S.L., Ziesel J.-P., Field D., Very
low energy electron scattering from ozone and chlorine dioxide, Bull. Am.Phys.Soc. 43
1472 (1998)
[2]
Gulley R.J., Field T.A., Steer W.A., Mason N.J., Lunt S.L., Ziesel J.-P., Field D., Very
low energy electron scattering from molecular chlorine, Bull. Am.Phys.Soc. 43 1495
(1998)
[3]
Field D., Jones N.C., Ziesel J.-P., Cold collisions of electrons with molecules, FewBody Systems (2002) sous presse.
[4]
Field D., Lunt S.L., Jones N.C., Ziesel J.-P., Cold collisions of electrons with
molecules: Virtual state scattering in CO2, A.I.P. Conference Proceedings (2002) sous
presse.
9.4.3. Conférences invitées
[1]
[2]
[3]
[4]
Field D., Lunt S.L., Ziesel J.-P., Do PAHs soakup electrons in the interstellar medium?
New experimental results, The physics and chemistry of the interstellar medium, 3rd
Cologne-Zermatt Symposium, Zermatt (1998)
Jones N.C., Lunt S.L., Field D., Ziesel J.-P., Gulley R.J, Very low energy electron
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Electron-Molecule Interactions, Kitzbuhel (2001).
Field D., Lunt S.L., Jones N.C., Ziesel J.-P., Cold collisions of electrons with
molecules: Virtual state scattering in CO2, 22th Int. Conference on Photonic, Electronic
and Atomic Collisions, Santa Fe (2001).
Field D., Lunt S.L., Jones N.C., Ziesel J.-P., Cold collisions of electrons with molecules,
Colloquium on Dynamics and structure of critically stable quantum few-body systems ,
Les Houches (2001).
9.4.4. Posters
1998 – 2001: 7 communications affichées dans des conférences internationales
149
150
10. Publications de l’ensemble du laboratoire
10.1. Publications dans des revues avec comité de lecture
1998
[P1]
[P2]
[P3]
[P4]
[P5]
[P6]
[P7]
[P8]
[P9]
[P10]
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A. Al Khalili, H. Danared, M. Larsson, A. Le Padellec, R. Peverall, S. Rosen, J.
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D. Bakalov, F. Brandi, G. Cantatore, G. Carugno, S. Carusotto, F. Della Valle,
A. De Riva, U. Gastaldi, E. Iacopini, P. Micossi, E. Milotti, R. Onofrio, R.
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D. Bakalov, F. Brandi, G. Cantatore, G. Carugno, S. Carusotto, F. Della Valle,
A. M. De Riva, U. Gastaldi, E. Iacopini, P. Micossi, E. Milotti, R. Onofrio, R.
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3.
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4.
G. Bazalgette, G. Trenec, E. Audouard, M. Büchner, J. Vigué, Oriented ICl
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5.
P. Moretto-Capelle, 9th International Conference on the Physics of Highly Charged
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electron spectroscopy in X7++Ar, at 70 keV »
6.
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Rutz, E. Schreiber et L. Wöste, “Temporal coherent control by wave packet
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7.
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S.P.I.E. Conference 3271, "Laser Techniques for State-Selected and State-to-State
Chemistry IV", San Jose, California, 29-31janvier 1998
8.
V. Blanchet et A. Stolow, “Time-resolved Photoelectron Spectroscopy,” présenté à
CLEO, San Francisco, California, May 1998.
9.
V. Blanchet et A. Stolow, “Time-resolved Internal Conversion,” présenté à Ultrafast
Phenomena, Garmisch-Partenkirchen, Germany, 12-17 July 1998.
10. V. Blanchet et A. Stolow, “Femtosecond Time-resolved Internal Conversion,” présenté
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(Canada), juin 1998.
11. V. Blanchet et A. Stolow, “Femtosecond Time-resolved Internal Conversion,” présenté
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Atoms and Molecules,” présenté à 21st International Symposium on Rarefied Gas
Dynamics, Marseille, 26-31 july 1998.
14. C. Meier, Symposium on Theories of Quantum Dissipation, Rehovot, Israël, Février
1998.
15. J.-A. Beswick, Conférence Ibérique de Physique, Coimbra, Mai 1998.
169
Publications de l’ensemble du laboratoire
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
C. Meier, Journée de Spectroscopie Moléculaire et 3ème DIAM, Reims, Juillet 1998.
J.-A. Beswick, MOLEC XII, Bristol, Septembre 1998.
J.-A. Beswick, Colloque France-Taiwan, Orsay, Octobre 1998.
J.-A. Beswick, 6ème réunion de Chimistes Théoriciens, Lille, Octobre 1998.
D. Field, S. L Lunt, J.-P. Ziesel, Do PAHs soakup electrons in the interstellar
medium? New experimental results, The physics and chemistry of the interstellar
medium, 3rd Cologne-Zermatt Symposium, Zermatt, Suisse (1998).
R. Mathevet, K Brodsky, F. Perales, K. Rubin, J. Robert, J. Baudon, Some new
effects in atom Stern-Gerlach interferometry, Symposium on elementary chemical
processes, Perugia, Italie, Juillet 1998
R. Mathevet, K Brodsky, F. Perales, K. Rubin, J. Robert, J. Baudon, Some new
effects in atom Stern-Gerlach interferometry, 21st Rarefied gas dynamics symposium,
Marseille, Juillet 1998
F. Perales, R. Mathevet, K Brodsky, F. Perales, K. Rubin, J. Robert, J. Baudon,
Developments in atomic Stern-Gerlach interferometry, 7th workshop on laser physics,
Berlin, Allemagne, Juillet 1998
J. Weiner, Ultracold Collisions in Traps and Beams, Fifth International Workshop on
the Physics, Modern Applications of Lasers, Gaborone, Botswana, 3-7 Août 1998
J. Weiner, What precision molecular spectroscopy can you tell you about atomic
structure, Sixth International Conference on Interdisciplinary Topics in Science “End of
Century State of Science” Brijuni, Croatie, 7-11 Septembre 1998
J. Weiner, Ultracold Collisions and the cold molecule formation, Workshop on
Spectroscopy and Applications, Dakar, Sénégal, 5-11 Décembre 1998
1999
27. F. Rabilloud, F. Spiegelmann, P. Labastie. et J.M L'Hermite, TAMC III, Berlin, 5-9
octobre 1999.
28. M. Büchner, C. Champenois, G. Boisseau, L. Jozefowski, C. Rizzo, J. Vigué,
Atomic interferometry with lithium, INFM general meeting, Catania, Italie, 14-18 Juin
1999
29. M. Büchner, C. Champenois, G. Boisseau, R. Delhuille, L. Jozefowski., C. Rizzo, J.
Vigué, Principle and design of an atomic interferometer working with lithium atom,
Workshop : Atomic interactions in laser fields, Torun, Pologne 1-3 Septembre 1999
30. C. Mennerat-Robilliard, R. Mathevet, M. Büchner, J. Vigué, J. Weiner :
Nanolithographies par forces radiatives, Atelier Surfaces et interfaces, Porquerolles 27
Septembre-1er Octobre 1999
31. J. Weiner, Nanoprobes activées par la lumière - applications en imagerie et en
lithographie, Optique Atomique et ses Applications, Les Houches, 23-28 Mai 1999
32. J. Weiner, Colloque : Lasers, mesures de précision et optique quantique, Les Houches,
26 Septembre-1er Octobre 1999
33. V. Blanchet et A. Stolow, “Femtosecond Time-resolved Internal Conversion,” présenté
à Femtochemistry conference, Leuven, Belgique, July 1999
34. V. Blanchet et A. Stolow, “Femtosecond Time-resolved Internal Conversion,” présenté
à South European Conference On Atomic And Molecular Physics, Gandia, Valencia
(Espagne), Juin 1999.
170
Publications de l’ensemble du laboratoire
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
V. Blanchet, M. Z. Zgierski, T. Seideman et A. Stolow, “Time Resolved
Configuration Interaction in all trans decatetraene,” présenté à 217th American
Chemical Society National Meeting. Symposium on Linear Conjugated Polyenes.,
Anaheim, California, 21-25 March 1999.
V. Blanchet, M. Z. Zgierski, T. Seideman et A. Stolow, “Disentangling electronic
from vibrational dynamics in ultrafast internal conversion,” présenté à Canadian Society
for Chemistry Conference, Toronto, Ontario, 30 May - 2 June 1999
V. Blanchet, M. Z. Zgierski, T. Seideman et A. Stolow, “Disentangling electronic
from vibrational dynamics in ultrafast internal conversion,” présenté à 1st Cross Border
Workshop on Laser Science (NRC), Ottawa, Ontario, 20-22 May, 1999
B. Girard, “Pump-probe spectroscopy and coherent control in alcoli atoms and
dimers,” présenté à HighRus -99 13th International Symposium And School On High
Resolution Molecular Spectroscopy, Moscow, 4-10 juillet 1999.
J.-P. Daudey,Théorie et spectroscopie , Garchy, France, 6-10 Novembre 1999
N. Lorente, European Research Conferences: Particle-Solid Interactions: Dynamic
Phenomena, San Sebastián, Spain, September 1999.
N. Lorente, Twelfth International Workshop on Inelastic Ion-Surface Collisions, South
Padre Island, Texas, USA, January 24 to 29, 1999.
J. Robert, J. Baudon, R. Mathevet, B. Viaris de Lesegno, M. Boustimi, K Brodsky,
F. Perales, Longitudinal, angular coherences in Stern-Gerlach atom interferometry,
Amel, Pays Bas, 1999
R. Mathevet, K Brodsky, M. Boustimi, B. Viaris de Lesegno, M.Gorlicki, F.
Perales, J.Reinhart, , J. Baudon, J. Robert, Atomic gradiometer with comoving
fields, Rencontres de Moriond, France, 1999
J.Weiner , Polarisation studies of cold collisions within a slow, bright atom beam,
Workshop on Prospects of Cold Molecules, 8-10 November 1999, International Science
Forum, Heidelberg, Allemagne, 8-10 Novembre 1999
2000
45. F. Spiegelmann, F. Rabilloud, P. Labastie et J.M L'Hermite, Gordon Conference on
Molecular and Ionic Clusters MIC2000, Toulouse, 16 avril 2000.
46. P. Labastie, International Workshop on Phase transitions in finite systems, ECT*,
Trente (Italie), Septembre 2000.
47. R. Delhuille., C. Champenois, M. Büchner, L. Jozefowski, Th. Lahaye, R.
Mathevet, A. Miffre, C. Rizzo, C. Robilliard, G. Trenec, J. Vigué, Some theoretical
and experimental aspects of three-grating Mach-Zehnder atom interferometers, 6th
Atom Optics and Interferometry Workshop, Cargese, France, 26-29 juillet 2000
48. J. Weiner, Atomic manipulation by force fields and the promise of ‘bottom-up’
nanostructure fabrication, Seventh International Conference on Interdisciplinary Topics
in Science « Important Problems for the XXI Century », Brijuni, Croatie 28 Août-2
Septembre 2000
49. R. Delhuille., C. Champenois, M. Büchner, R. Mathevet, C. Rizzo, C. Robilliard, J.
Vigué Atom interferometry : principles and applications to fundamental physics,
Workshop QED 2000 : Quantum electrodynamics and the physics of vacuum, Trieste,
Italie, 5-11 Octobre 2000
171
Publications de l’ensemble du laboratoire
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56.
57.
58.
59.
60.
61.
62.
63.
64.
S. Askenazy, J. Billette, P. Dupre., P. Ganau, J. Mackowski, J. Marquez, L.
Pinard, O. Portugall, D. Ricard, G.L.J.A. Rikken, C. Rizzo, G. Trenec, J. Vigué, A
25 T dipole pulsed magnet to study the magnetic birefringence of vacuum : the BMV
project, Workshop QED 2000 : Quantum electrodynamics and the physics of vacuum,
Trieste, Italie, 5-11 Octobre 2000
P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu et A. Bordenave-Montesquieu,
Colloque de la division de physique atomique, moléculaire et optique de la SFP (PAMO
2000, Villeurbanne, juillet 2000): « Emission d’électrons et fragmentation dans les
collisions ions-C60 »
P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu et A. Bordenave-Montesquieu, 10th
Int. Conf. Physics of Highly Charged Ions (Berkeley, USA, août 2000): “Interaction of
multicharged ions with molecules (CO2, C60) by coincident electron spectroscopy”
B. Girard, “Techniques de contrôle cohérent en régime femtoseconde,” présenté à
FEMTO 2000, St Etienne, 3 - 6 octobre 2000.
B. Girard, “Contrôle cohérent et contrôle optimal,” présenté à PAMO 2000, Lyon, 1013 juillet 2000.
B. Girard, O. Björneholm, I. Hjelte, J. Andersson, S. Sorensen, J. Norin, J.
Mauritson, A. Lhuillier, C. G. Wahlström, D. Gauyacq, S. Zamith et V. Blanchet,
“Harmonics as a tool in molecular physics,” présenté à Workshop on Applications of
High-Order Harmonics, Lund (Sweden), 17-18 march 2000.
B. Girard, S. Zamith, J. Degert, C. Nicole, E. Sokell, V. Blanchet, M. A. B.
Bouchene et B. de Beauvoir, “Ultrashort wavepacket dynamics and control in alkali
atoms,” présenté à COCOMO startup meeting, Kaiserslautern, 13 - 15 avril 2000.
B. Girard, S. Zamith, J. Degert, C. Nicole, E. Sokell, V. Blanchet, M. A. B.
Bouchene et B. de Beauvoir, “Ultrashort wavepacket dynamics and interferences in
alkali atoms,” présenté à Ultraintense Laser Interactions and Applications (ULIA 2),
Pisa (Italy), 29 sept. - 3 oct. 2000.
Daudey J.-P., Formation modélisation CEA/CNRS , Méjeannnes la Clape, Septembre
2000.
Daudey J.-P., 3ième réunion ISTCTP, Mexico, Novembre 2000
N. Lorente, Future developments in the Study of structure-property relations by
'computational crystallography', Lyon, October 2000.
N. Lorente, Yk 2000 conference: Ab-initio (from Electronic Structure) Calculations of
Complex Processes in Materials, Schwäbisch, Gmünd, Germany, August 2000.
C. Meier, Dynam 2000, Arcachon, Juin 2000.
J.-A. Beswick, Forst International meeting on photodynamics, La Havana, Cuba,
février 2000.
J. Weiner, What cold collisions have told us about atomic structure, Bose-Einstein
condensates, and the promise of cold-molecule studies, American Chemical Society
Symposium on Very Low Temperature Spectroscopy and Dynamics, Washington,
USA, 20-25 Août 2000
J. Weiner, Spin-polarized photoassociation and beam-loss spectroscopy in an intense,
slow, bright atom beam, Workshop on Prospects of Cold Molecules II, St. Martins,
Graz, Autriche, 13-15 Novembre 2000
172
Publications de l’ensemble du laboratoire
2001
65. G. Lévêque, Diffraction d’atomes froids par champ optique confiné, Ecole de
Nanoscience, Dijon, 18 Juin 2001
66. R. Delhuille., C. Champenois, M. Büchner,, L. Jozefowski, C. Rizzo, G. Trenec, J.
Vigué, Interférométrie sur un jet d’atomes de lithium, Journées du GREX 2001, Grasse,
9-11 Octobre 2001
67. P. Moretto-Capelle, D. Bordenave-Montesquieu, A. Rentenier et A. BordenaveMontesquieu, 11th International Seminar on Ion-Atom Collisions (ISIAC) (Ensenada,
Mexique, 2001): « Deposited energy and fragmentation of C60 induced by ion impact. »
68. A. Le Padellec, International Symposium on the Dissociative Recombination of
Molecules with Electrons: Theory, Experiment, and Applications, « Electron collision
studies on CN+, HCN+/HNC+, CN- and C4- », conférence invitée (Chicago 26-30 août
2001)
69. A. Bouchène, S. Zamith et B. Girard, “Spin polarised electrons produced by a
sequence of two femtosecond pulses. Calculation of differential and global polarisation
rates,” présenté à Vèmes Journées de Phénomènes ultrarapides, Grenoble, 31 mai - 1er
juin 2001.
70. A. Bouchène, S. Zamith et B. Girard, “Spin polarised electrons produced by a
sequence of two femtosecond pulses. Calculation of differential and global polarisation
rates,” présenté à Molecular Beams, Rome, Juin 2001.
71. J. Degert, B. de Beauvoir, C. Meier et B. Girard, “Quantum information processing
with a dissociating molecule,” présenté à COCOMO Network Meeting, London, 23 - 25
avril 2001.
72. B. Girard, “Coherent Control in Atomic and Molecular Processes,” présenté à
ColLELSOL (Colloque sur les Applications du Laser à Electrons Libres sur SOLEIL),
Paris, 25-26 sept 2001.
73. B. Girard, “Coherent Control in Atomic and Molecular Processes,” présenté à French Chinese workshop on Molecular Dynamics, Gif sur Yvette, 16-17 oct 2001.
74. B. Girard, B. de Beauvoir, J. Degert, C. Meier et M. Vrakking, “Coherent Control
of the fragment distribution of a predissociating molecule,” présenté à Cold Molecules
2001 : Coherent Control and Cold Molecules, Gif-sur-Yvette, 21-25 oct 2001.
75. B. Girard, S. Zamith, J. Degert, V. Blanchet, M. A. B. Bouchene et B. de Beauvoir,
“Ultrashort wavepacket dynamics and coherent control in alkali atoms,” présenté à
ECAMP 7, Berlin, 1-6 Avril 2001.
76. B. Girard, S. Zamith, J. Degert, S. Stock, A. Montmayrant, V. Blanchet et B. de
Beauvoir, “Coherent Control of Atomic Systems with Chirped Pulses,” présenté à 2nd
workshop on Optimal Control of Quantum Dynamics, Ringberg Schloss (Münich), 9-12
déc 2001.
77. S. Zamith, V. Blanchet, B. Girard, J. Norin, J. Mauritson, A. Lhuillier, J.
Andersson, S. Sorensen, I. Hjelte, O. Björneholm et D. Gauyacq, “Ultrafast
dynamics of highly excited states of acetylene,” présenté à Analysis and Control of
ultrafast photoinduced reactions, Berlin, 22-25 nov 2001.
78. S. Zamith, V. Blanchet, B. Girard, J. Norin, J. Mauritson, A. Lhuillier, J.
Andersson, S. Sorensen, I. Hjelte, O. Björneholm et D. Gauyacq, “Ultrafast
processes in excited molecules analysed by VUV femtosecond time-resolved
photoelectron spectroscopy,” présenté à 17Th Interdisciplinary laser science conference,
Optical Society of America, Long Beach, California, oct. 2001.
173
Publications de l’ensemble du laboratoire
79.
80.
81.
82.
83.
84.
85.
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87.
88.
89.
90.
S. Zamith, J. Degert, A. Monmayrant, S. Stock, I. Bloch Nielsen, B. de Beauvoir, V.
Blanchet, A. Bouchène et B. Girard, “Manipulation de systèmes quantiques par
manipulation d’impulsions lasers,” présenté à Vèmes Journées de Phénomènes
ultrarapides, Grenoble, 31 mai - 1er juin 2001.
S. Zamith, B. de Beauvoir, J. Degert, V. Blanchet, M. A. B. Bouchene et B. Girard,
“Coherent transients in Rb excited with chirped pulses,” présenté à COCOMO Network
Meeting, London, 23 - 25 avril 2001.
Daudey J.-P., European Conference on Heavy Metals, Kerkkrade (Hollande) Avril
2001
Daudey J.-P., Rencontre modelisation CEA , Saclay Juin 2001.
Daudey J.-P., International workshop on modelisation, CEA, Saclay 21-22 Janvier
2001.
Daudey J.-P., Journée thématique Théorie et spectroscopie des radicaux , Marseille
Luminy, Septembre 2001
Daudey J.-P., 7ième Université d’été de PhysicoCimie Théorique, Aussois, France, 30
Septembre- 5 Octobre 2001
C. Meier, Post graduate Course on Theoretical Chemistry and Spectroscopy, Han-surLesse, Belgique, Décembre 2001.
N. C Jones, S. L. Lunt, D. Field, J.-P. Ziesel, R. J. Gulley, Very low energy electron
scattering in nitromethane, nitroethane and nitrobenzene, Symposium on Low Energy
Electron-Molecule Interactions, Kitzbuhel, Autriche (2001).
D. Field, S. L Lunt, N. C. Jones, J.-P. Ziesel, Cold collisions of electrons with
molecules: virtual state scattering in CO2, 22th International Conference on Photonic,
Electronic and Atomic Collisions, Santa Fe, USA (2001).
D. Field, S. L Lunt, N. C. Jones, J.-P. Ziesel, Cold collisions of electrons with
molecules, Colloquium on Dynamics and structure of critically stable quantum fewbody systems, Les Houches (2001).
J. Weiner, Cold collisions and what they tell us about Bose-Einstein condensates in real
gase, Quantum Optics Summer School, Bonn, Allemagne, 18-31 Août 2001
2002
91. J. Weiner, Atom manipulation and nanostructure fabrication, International Conference
on « Current Developments in Atomic, Molecular and Chemical Physics with
applications », Delhi, Inde, 20-22 Mars 2002
92. N. Lorente, Yk 2002 workshop: Total energy methods in Computational Condensed
Matter, La Laguna, Tenerife, Spain, January 2002.
174
Publications de l’ensemble du laboratoire
10.4. Les autres publications : Livres, Sections de livres
[B1] B. Girard, M. A. Bouchene, V. Blanchet, C. Nicole et S. Zamith, “Ultrashort Wave
Packet Dynamics and Interferences in Alkali Atoms,” dans Atomic and Molecular
Beams. The State of the Art 2000, édité par R. Campargue (Springer-Verlag, 2000),
pp. 145-60.
[B2] B. Girard, J.-M. Mestdagh et B. Soep, “Le Contrôle Cohérent,” dans Sciences aux
temps ultracourts. De l'attoseconde aux petawatts, édité par A. d. Sciences (Tec et
Doc, Paris, 2000), pp. 254-66.
[B3] J.-M. Mestdagh, B. Soep et B. Girard, “Dynamique en phase gazeuse par la
technique Pompe -Sonde,” dans Sciences aux temps ultracourts. De l'attoseconde aux
petawatts, édité par A. d. Sciences (Tec et Doc, Paris, 2000).
[B4] B. Girard, J.-M. Mestdagh et B. Soep, “Le Contrôle Cohérent,” dans Systèmes
femtosecondes, édité par P. Laporte and F. Salin (Presses de l'Université de St-Etienne,
St-Etienne, 2001), pp. 209-22.
[B5] J. Weiner, “Atom Traps and Studies of Ultracold Atoms,” dans Encyclopaedia of
Chemical Physics and Physical Chemistry (IOP Publishing, Bristol, 2001), Vol. III,
pp. 2175-98.
175
Publications de l’ensemble du laboratoire
10.4. Statistiques sur les publications de l'Unité
Année Publications dans revues
avec Comité de lecture
a
b
25
30
1998
25
22
1999
26
14
2000
39
5
2001
Conférences invitées
a
20
15
19
25
b
6
3
2
1
a = Publications correspondant à un travail au laboratoire
b = Publications correspondant à un travail effectué avant son arrivée au laboratoire par une
personne récemment recrutée
176
11. Activités internationales des équipes
Equipe "Structure, Dynamique et Thermodynamique des Agrégats" (responsable P.
Labastie) :
Collaboration non formalisée avec l’équipe de H. Haberland (université de Freiburg)
Equipe de "Spectroscopie femtoseconde et contrôle cohérent" (responsable B. Girard) :
Collaboration sur le contrôle cohérent dans l'atome césium et les études pompe - sonde dans
les dimères alcalins avec L. Wöste, E. Schreiber (Freie Universität Berlin), soutenue par le
programme PROCOPE EGIDE-MAE 1997-1998
Collaboration sur la spectroscopie pompe-sonde de l’acétylène avec A. L'Huillier (université
de Lund), soutenue par le programme “ Access to large scale facilities ” financé par la
communauté européenne, en 1999-2001.
Collaboration sur l’imagerie de photoélectrons et la dynamique pompe-sonde, puis sur
l’information quantique avec M. Vrakking (AMOLF, FOM, Amsterdam), soutenue par le
programme van Gogh EGIDE-MAE en 1998-2002. Avec la participation de C. Meier du
LCAR.
Collaboration sur les interférences d’électrons libres avec l’équipe de G. Gerber (Université
de Würzburg), soutenue par le Programme PROCOPE EGIDE-MAE en 1999-2000, puis par
le réseau COCOMO (voir ci-dessous)
Collaboration sur l’imagerie de photoélectrons et l’évolution temporelle de distributions
angulaires d'électrons avec E. Sokell (Univ. College, Dublin), programme France - Irlande
EGIDE-MAE en 2000
Collaboration sur l’excitation cohérente d'atomes et de molécules avec N. Vitanov (Helsinki
et Sofia) grâce à son séjour de 1 mois comme professeur invité UPS en 2000.
Collaboration sur “ Pulse shaping dans des transitions atomiques simples ” avec M. Motzkus
(MPQ Garching) grâce aux actions spécifiques internationales de l’UPS 2002
Equipe "Spectrométrie d'électrons dans les collisions" (responsable A. BordenaveMontesquieu)
Collaboration informelle avec l’équipe de J.E. Hanssen (Amsterdam)
Collaboration informelle avec l’équipe de F. Martin (Madrid)
Equipe "Interaction ion-surface" (responsables C. Bénazeth et M. Richard-Viard)
Collaboration avec M. Boudjema (USTHB, Alger), soutenue par un contrat Accord
Programme Franco-Algérien CMEP 97MDU387 (1997-2000).
Collaboration avec l’équipe de P. Haberlé (UTFSM, Valparaiso, Chili), soutenue par le
programme ECOS-SUD action n°C99E01 (1999-2002).
177
Activités internationales des équipes
Equipe "Théorie des processus dynamiques dans les systèmes moléculaires"
(responsables N. Lorente et J. A. Beswick)
Collaboration avec l’équipe de J. Simons (Université d'Oxford) sur la spectroscopie de liaison
hydrogène en complexe de van der Waals, soutenue par le Programme ALLIANCE, EGIDEMAE en 1998-1999
Collaboration sur la dynamique induite par impulsion femtoseconde avec l’équipe de V.
Engel (Université de Würzburg), soutenue par le Programme PROCOPE EGIDE-MAE en
1998-1999.
Collaboration sur les complexes de van der Waals avec l’équipe de A. Bastida (Université de
Murcie, Espagne), soutenue par le programme PICASSO EGIDE-MAE en 1998-1999.
Collaboration sur les complexes de van der Waals avec l’équipe de G. Delgado-Barrio (CSIC,
Madrid), soutenue par le programme PICASSO EGIDE-MAE en 2000-2001.
Collaboration sur les complexes de van der Waals avec l’équipe de A. Bastida (Université de
Murcie, Espagne), soutenue par le programme PICASSO EGIDE-MAE en 1998-1999.
Collaboration sur les molécules en matrice avec l’équipe de J. Echave (Université de Quilmes,
Argentine), soutenue par le programme ECOS-Sud en 1997-2001.
Collaboration sur la photodissociation avec O. Vasyuntinski (Ioffe Institute à St Petersburg),
soutenue par un programme INTAS en 1999-2002.
Collaboration impliquant aussi C. Rizzo sur les atomes muoniques avec D. Balakov (Sofia,
Bulgarie), soutenue par un contrat OTAN en 2001-2003.
Collaborations informelles sur l’imagerie STM de molécules sur surface avec M. Persson
(Goteborg, Suède) et R. Palmer (Birminghan) en 2000 -2001.
Equipe "Optique atomique et applications aux nanostructures" (responsables J. Weiner
et J. Vigué)
Sous la responsabilité de J. Vigué et C. Rizzo
Collaboration sur la spectroscopie près d’une surface et l’interférométrie atomique avec
l’équipe de T. Dohnalik (Université Jagellonienne, Cracovie), soutenue par le programme
POLONIUM EGIDE-MAE en 1997-1998, par un poste rouge du CNRS (séjour de Leszek
Jozefowski de 9 mois en1998-1999) et par une action spécifique internationale de l’université
P. SABATIER en 2000 (séjour de L. Jozefowski).
Collaboration sur l’indice de réfraction des gaz pour les ondes atomiques avec le groupe de A.
Dalgarno, ITAMP à l’Université d’Harvard (Cambridge Mass., USA) (invitation d’un mois de
C. Champenois à Harvard en 1998 soutenue par ITAMP)
Collaboration avec le groupe de P.S. Julienne au NIST (Gaithersburg, USA) (invitation d’un
mois en 1998 de C. Boisseau au NIST, soutenue par le NIST et une action spécifique
internationale de l’université P. SABATIER)
Collaboration sur les atomes muoniques avec D. Bakalov de l’institut de recherche de
l’académie des Sciences de Sofia (visite d’une semaine financée par une action spécifique
internationale de l’université P. SABATIER en 2000, puis par un poste de professeur invité
178
Activités internationales des équipes
UPS pendant un mois en 2001 et maintenant par un contrat OTAN en commun avec l’équipe
“ Théorie ”).
Collaboration sur l’interférométrie atomique avec l’équipe de J. P. Toennies (MPI Göttingen),
soutenue par le programme PROCOPE EGIDE-MAE en 2002
Collaboration sur le projet de biréfringence magnétique du vide avec l’équipe de A. Arie
(Université de Tel-Aviv, Israël), soutenue par le programme Arc-en Ciel, EGIDE-MAE en
2001 et 2002
Collaboration informelle avec l’équipe de J. L. Hall (NIST et JILA, Boulder, Colorado,
USA), (visite de R. Delhuille pendant un mois à Boulder en 2001, soutenue par une action
spécifique internationale de l’université P. Sabatier et par le JILA)
Collaboration informelle sur le projet de biréfringence magnétique du vide avec E. Zavattini
et G. Cantatore (projet PVLAS, Legnaro et Trieste, Italie),
Sous la responsabilité de J. Weiner :
Collaboration sur les atomes froids avec V. Bagnato (USP, Brésil), soutenue par le
programme COFECUB en 1999-2000
Collaboration sur les dépôts nanostructurés de césium avec l’équipe de D. Meschede
(Université de Bonn), soutenue par le programme PROCOPE, EGIDE-MAE en 2000
Activité hors équipe :
Collaboration de J. P. Ziesel sur les collisions d’électrons de très basse énergie avec l’équipe
D. Field (Université d'Aarhus, Danemark), soutenue de 1998 à 2000 et en 2002 par une
convention de coopération de la DRI du CNRS avec la SNF Danemark.
Réseaux européens
L'équipe de B. Girard fait partie d'un réseau européen (programme "Improving Human
Potential" 2000-4) COCOMO (Coherence And Control In Atomic And Molecular Systems
And Processes) coordonné par K. Bergmann avec G. Gerber, P. Lambropoulos, D.
Charalambidis, P. Knight, J. Marangos, S. Stenholm, N. Vitanov, B. Noordam, M. Shapiro.
J. A. Beswick est responsable d'un programme INTAS avec la Russie et d'un programme
ECOS-Sud avec l'Argentine.
En 2001, deux réseaux européens ont été construits sous l'impulsion d'équipes du laboratoire :
* le réseau FASTNET (pour " Field-Atom-surface Training Network ") est coordonné par J.
WEINER et il sera presque certainement financé en2002 par le 5ème PCRDT. Ce programme
nous lie aux équipes de E. HINDS (Sussex), D. MESCHEDE (Bonn), L. MOI (Siena), H.-G.
RUBAHN (Odensee), J. SCHMIEDMAYER (Heidelberg), R. GRIMM (Innsbrück), C.
HENKEL (Postdam), H. Ritsch (Innsbrück).
179
Activités internationales des équipes
* le réseau CLUSFRAG, dont le thème est le développement d'outils pour la fragmentation
des agrégats, est coordonné par P. LABASTIE avec l'aide de A. LE PADELLEC et la note
obtenue nous a laissé espérer un financement du PCRDT.
Enfin, le projet de nanolithographie par forces radiatives porté par le groupe autour de J.
WEINER a été inclus dans un réseau NANOCOLD, dont le thème est Nanodeposition of
active orderded structures by cold atom technologies et qui est coordonné par E.
ARIMONDO de Pise (Italie). Le financement de ce réseau a été obtenu en 2001 auprès du
programme européen IST (référence IST-2001-32264). Ce programme nous lie aux équipes
de E. ARIMONDO (Pisa), D. MESCHEDE (Bonn), R. KASSING (Kassel) et A. PIMPINEL
(Clermont-Ferrand).
180
12. Le bilan financier (1998-2001)
12.1. Budget 1998 (1 750,59 kF)
Organisme Financeur
CNRS SPM
Soutien de base
kF
(a)
(d)
CNRS INSU
MENRT
UPS BQR A. Bordenave-Montesquieu
BQR B. Girard
Accueil C. Rizzo et J. Weiner
Institut Universitaire de France (IUF)
Région Midi-Pyrénées
Total
450,00
10,00
50,00
395,90
Actions
spécifiques
kF
(b)
200,00
(c)
2,50
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
905,09
28,00
150,00
39,00
11,00
30,00
44,00
300,00
41,00
845,50
1 750,59
a)
b)
c)
d)
Remboursement des frais d'organisation du Comité Scientifique SPM
Action spécifique SPM Jacques VIGUE « Faisceau d'atomes froids et interférométrie atomique »
Action incitative du GDR PEREZ, participation du LCAR
Financement de vacations par le Département SPM afin de compenser la participation de l'administrateur du
LCAR, Philippe MIROUX) aux travaux de l'Agence de Modernisation des Universités (Modernisation de la
gestion des Etablissement d'Enseignement Supérieur).
e) Action spécifique INSU Bertrand GIRARD
f) Action spécifique MENRT Jacques VIGUE/John WEINER de 300 KF versés 150 kF en 1998 et 150 kF
1999
g) Dernière année financement IUF Bertrand GIRARD
h) Contrat Région MIP Jacques VIGUE/John WEINER
i) Action spécifique programme Région gérée par le LAMSA par l’équipe Ion-Surface
12.2. Budget 1999 (1 364,45 kF)
Organisme Financeur
CNRS SPM
Soutien de base
kF
450,00
(a)
3,20
CNRS INSU
MENRT
438,25
UPS BQR (J. Weiner/J. Vigué)
BQR (accueil J. Weiner et C. Rizzo)
Total
891,45
Actions spécifiques
kF
(b)
100,00
(c)
(d)
(e)
66,00
150,00
52,00
75,00
30,00
473,00
1 364,45
(a) Remboursement du repas organisé sur demande du département SPM (rencontre du Département SPM avec
ses directeurs d'unité en région Midi-Pyrénées)
(b) Action spécifique SPM « Nanophysique » J. VIGUE, J. WEINER
(c) Action spécifique programme INSU « Etude par spectrométrie de photoélectrons résolus en temps de la
dissociation des états de Rydberg de l'acétylène»
(d) Action spécifique MENRT John WEINER.
(e) Programme Pluri-Formation (PPF) du MENRT Bertrand GIRARD
181
Bilan financier
12.3. Budget 2000 (2 994,91 kF)
Organisme Financeur
Soutien de base
kF
CNRS SPM
480,00
INSU
MENRT
441,55
IRSAMC
MAE
UPS
DSP- DGA
CEE
Total
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
k)
l)
m)
n)
o)
p)
921,55
Actions
spécifiques
kF
(a) 180,00
(b) 250,00
(c) 260,00
(d) 80,00
(e) 34,00
(f) 200,00
(g) 220,00
(h) 30,00
(i) 30,00
(j) 33.50
(k) 10,00
(l) 2,00
(m) 79,00
(n) 74,60
(o) 570,78
(p) 19,48
2 073,36
2 994,91
Action Spécifique SPM Jeune Equipe Financement CPER "Spectromètre de Photoélectrons Photoions"
Bertrand GIRARD.
Action Jeune Chercheur Carlo RIZZO pour projet BMV
Programme Optique John WEINER
Action Spécifique INSU Bertrand GIRARD
Programme Pluri-Formation (PPF) MENRT Bertrand GIRARD (68 kF dont 34 kF pour Th. Amand LPMC)
Action Spécifique MENRT Bertrand GIRARD
Action Spécifique MENRT liée à demande ACO John WEINER (programme total de 300 KF HT réparti
comme suit : 220 kF pour le LCAR et 80 kF pour CEMES et LAAS)
Accompagnement du soutien au BQR de Jacques VIGUÉ/John WEINER
Accompagnement du soutien au BQR de Bertrand GIRARD
Action Spécifique : Collaboration avec l' Université d'Alger Claude BENAZETH
BQR - Accueil nouveau professeur UPS Carlo RIZZO
BQR - Action Spécifique UPS relations internationales
BQR UPS Bertrand GIRARD
Contrat DSP-DGA Jacques VIGUE/John WEINER, Contrat global 224 kF HT (hors frais de gestion),
2000 = 74,60 kF, 2001 = 149,40 kF.
Contrat Européen "Research training network" Bertrand Girard dont 490,78 kF de rémunération
Contrat CEE INTAS, Notification complémentaire
182
Bilan financier
12.4. Budget 2001 (2 026,90 kF)
Soutien de base
kF
Organisme Financeur
CNRS SPM
580,00
CNRS divers
INSU
MENRT
439,78
UPS
IRSAMC
DSP- DGA
CEE
INSA
CEA
Total
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
k)
l)
m)
n)
o)
1 019,78
Actions
spécifiques
kF
(a) 140,00
(b) 50,00
(c) 100,00
(d) 60.00
(e) 28,00
(f) 30,00
(g) 250,00
(h) 34,00
(i) 50,00
(j) 12,58
(k) 15,00
(l) 174,13
(m) 6,56
(n) 20,00
(o) 36,85
1 007,12
Crédits spécifiques d'équipement P. Labastie
Crédits spécifiques d'équipement B. Lepetit
Crédits spécifiques d'équipement A. Bordenave-Montesquieu
Action incitative N. Lorente
Pour l'organisation d'une journée thématique du réseau Femto
Action spécifique INSU B. Girard
Action spécifique C. Rizzo (notifiée décembre 2000 mise en place en janvier 2001)
Programme Pluri-Formation (PPF) B. Girard (68 kF dont 34 kF pour Th. Amand LPMC)
BQR/ASUPS P. Labastie
BQR/ASUPS B. Lepetit
Participation de l'IRSAMC au BQR/ASUPS B. Lepetit
Solde du contrat DSP-DGA J. Vigué/J. Weiner
Solde contrat CEE INTAS A. Beswick
Crédits gérés par l'INSA, ACI Photonique, B. Girard
Crédits gérés par le CEA Saclay, ACI Photonique, B. Girard
183
2 026,90
Bilan financier
12.5.Crédits du Laboratoire : répartition et usage
Le budget annuel est discuté en conseil de laboratoire durant la période Février-Avril en
fonction des dates de notification des crédits de soutien de base. On peut distinguer trois
actions différentes :
• affaires générales du laboratoire
• fonctionnement des équipes
• équipement des équipes
12.5.1. Affaires générales du laboratoire
Il s’agit de frais liés aux postes suivants :
• Administration
• Services communs (en règle générale, sauf exception signalée, les ateliers de mécanique
et d’électronique sont alimentés en crédits par l’IRSAMC dont c’est une des missions
statutaires)
• Organisation du séminaire
• Quote part du laboratoire dans le fonctionnement de la bibliothèque de l’IRSAMC
• Abonnement Internet
• Réserve du directeur
• en 1998, organisation du Comité Scientifique du Laboratoire
Tableau des attributions (sommes en kF HT)
Administration
Services communs
Atelier
Séminaires
Bibliothèque
Abonnement Internet et
réseau informatique
Réserve du Directeur
Comité Scientifique du labo
Total
1998
33
25
1999
32
20
2001
33
15
10
30
44
2000
28
40
25
5
30
21
10
30
22
20
140
35
30
0*
171
179
99
10
30
11
* Reliquats suffisants
12.5.2. Crédits de fonctionnement des équipes
Là aussi, on distingue plusieurs postes, mais il y a perméabilité des crédits attribués à
chaque équipe.
12.5.2.1. Fonctionnement général
Il s’agit de dépenses de papeterie, téléphone et photocopie. Chaque équipe paye ses
dépenses réelles en fin d’année, mais elle reçoit pour le faire une somme calculée au prorata
de son effectif (permanents, doctorants, post-docs comptent avec le même poids) et cette
somme est basée sur la dépense globale des équipes durant l’année (n-1)
184
Bilan financier
12.5.2.2. Missions
La tradition était d’attribuer ces crédits selon les demandes des différentes équipes. En
2001, on est passé à une attribution au prorata de l’effectif (défini comme ci-dessus avec une
somme de 4,5 kF/membre. Une somme de 5 kF par thèse devant être soutenue dans l’année
est donnée pour organiser les jurys.
Notons que jusqu’en 2000, le laboratoire attribuait des crédits assez importants à
l’équipe Spectroscopie d’électrons pour ses déplacements à l’AIM de Grenoble, déplacements
qui étaient, jusque vers 1995, pris en charge par un crédit CNRS versé à l’AIM. En 2000, le
crédit de 30 kF prévu fut d’ailleurs rendu à la réserve du directeur à cause de la fermeture de
l’AIM.
12.5.2.3. Fonctionnement des expériences
Chaque équipe reçoit une somme de fonctionnement, sensiblement proportionnelle au
nombre de montages expérimentaux vraiment distincts dan l’équipe (1 ou 2 jusqu’ici). Pour
fixer les idées, la somme perçue est de 35 kF par montage en 2000 et aussi en 2001, avec, en
2001, un bonus de 10 kF par équipe.
12.5.2.4. Tableau des crédits de fonctionnement attribués à chaque équipe
(en kF HT)
Agrégats (P. Labastie)
Interférométrie atomique
1998
78,00
103,00
1999
68,60
124,10
2000
85,70
126,35
2001
74,46
129,86
73,00
78,40
83,80
90,80
87,00
99,90
85,00
72,20
53,00
67,40
58,00
79,00
28,00
422,00
56,80
495,20
(J. Vigué, J. Weiner)
Spectroscopie Femtosecondes
(B. Girard)
Spectroscopie d’électrons
(A. Bordenave-Montesquieu)
Ions-Surface
(C. Benazeth, M. Richard-Viard)
Théorie (A. Beswick)
Total
61,00
499,85
73,52
519,84
12.5.3. Crédits d’équipement des équipes
Les équipes préparent en début d’année des demandes de crédits d’équipement. Depuis
plusieurs années, la politique suivie a été de pourvoir aux besoins d’ordinateurs PC des
nouveaux venus ou de jouvence (avec un budget de 10 kF environ par PC), avant de discuter
les autres demandes.
Les autres demandes d’équipement sont présentées et discutées. La politique suivie a
toujours été de soutenir en priorité les demandes présentées par le laboratoire comme Actions
Spécifiques au CNRS et les équipements liés aux projets scientifiques des jeunes récemment
recrutés.
Le tableau ci-dessous présente année par année les crédits reçus du laboratoire dans ce
cadre, et sur une 2ème ligne les autres crédits obtenus par l’équipe auprès d’autres sources de
financement (même si ces crédits contiennent une part de crédits de fonctionnement). Il ne
semble pas utile de donner en détail à quoi ont servi ces sommes. Outre l’aspect fastidieux des
listes produites, ces informations sont peu utiles, alors que le rapport scientifique dit bien ce
qui a été construit.
185
Bilan financier
1998
Agrégats (P. Labastie)
Interférométrie atomique
Labo
Autres
Labo
100
Sommes arrondies en kF
1999
2000
2001
25
20
10
190
88
124
(J. Vigué, J. Weiner)
BMV (C. Rizzo)
Spectroscopie Femtosecondes
Autres
Labo
Autres
Labo
650
Autres
Labo
83
23
Autres
Labo
39
11
Autres
Labo
Autres
41
100
355
594
100
250
107
174
20
250
68
19
683
38
121
40
32
51
100
58
3
15
(B. Girard)
Spectrométrie d’électrons
(A. Bordenave-Montesquieu)
Ions-Surface
(C. Benazet, M. Richard-Viard)
Théorie (A. Beswick, N. Lorente)
186
72
138
13. Bilan sur l'évolution du personnel de l'Unité
13.1. Le personnel de l'unité au 31 décembre 2001
Organisme
Nom prénom
BLANCHET Valérie
BÜCHNER Matthias
HERISSON DE BEAUVOIR Béatrice
LEPETIT Bruno
L’HERMITE Jean-Marc
MORETTO-CAPELLE Patrick
RICHARD-VIARD Martine
ROBILLIARD Cécile
BORDENAVE-MONTESQUIEU Alain
DAUDEY Jean-Pierre
VIGUE Jacques
ZIESEL Jean-Pierre
CLOUTOUR Agnès
GIANESIN Michel
POLIZZI Laurent
PAQUIER Philippe
ROLLAND Marie France
TRENEC Gérard
BOUCHENE Aziz
UPS
CAFFARELLI Pierre
LE PADELLEC Arnaud
LORENTE Nicolas
MATHEVET Renaud
MEIER Christophe
SENCE Martine
BENAZETH Claude
BENOIT-CATTIN Pierre
BESWICK Alberto
GIRARD Bertrand
GLEIZES André (a)
LABASTIE Pierre
RIZZO Carlo
WEINER John
LAGARRIGUE Roland
VOLONDAT William
BORDENAVE-MONTESQUIEU Danièle
VIARIS DE LESEGNO Bruno
POST-DOC
DEGERT Jérôme
DOCTORANTS
DELHUILLE Rémi
DUPAYS Arnaud
GINDENSPERGER Etienne
LEVEQUE Gaëtan
MIFFRE Alain
NIEUWJAER Nicolas
RENTENIER Arnaud
ZAMITH Sébastien (thèse soutenue en décembre 2001)
(a) Affecté au LCAR, sans activité scientifique.
CNRS
Grade
CR
CR
CR
CR
CR
CR
CR
CR
DR
DR
DR
DR
T
T
T
AI
AI
IR
MCF
MCF
MCF
MCF
MCF
MCF
MCF
PR
PR émérite
PR
PR
PR
PR
PR
PR
T
T
IR
(ATER)
187
Bilan sur l'évolution du personnel de l'Unité
13.2. Son évolution récente
Année
1998
1999
2000
2001
Arrivées
Carlo RIZZO (Pr) (rec.)
Christoph MEIER (MCF) (rec.)
Valérie BLANCHET (CR2) (rec.)
William VOLONDAT (TRF) (rec.)
Cécile MENNERAT-ROBILLIARD (CR2) (rec.)
Renaud MATHEVET (MCF) (rec.)
Agnès CLOUTOUR (TCN) (AFIP)
Laurent POLIZZI (TCN) (AFIP.)
Bruno LEPETIT (CR1) (a)
Arnaud LE PADELLEC (MCF) (rec.)
Marie-France ROLLAND (AI) (AFIP)
Nicolas LORENTE (MCF) (rec.)
Roland LAGARRIGUE (TRF)(mut)
Jean-Pierre DAUDEY (DR) (stage) (b)
Départs
Malika BENHENNI (MCF) (mut.)
Eric AUDOUARD (MCF) (mut.)
Antoine PELLICER (TCE) (ret.)
Philippe MIROUX (IE2) (AFIP)
Pierre REYNES (T) (ret.)
(a) Bruno LEPETIT (CR1) a repris un poste CNRS après 8 ans de mise en disponibilité passés à
l'Aérospatiale
(b) Jean-Pierre DAUDEY en quittant la direction du Laboratoire de Physique Quantique a
souhaité prendre de la distance et a intégré notre laboratoire pour un stage de 12 mois
commencé en Mai 2001. Il demande à faire partie de notre laboratoire pour le prochain
contrat.
(c) Béatrice de BEAUVOIR, qui a été recrutée comme MCF en 1997, a été reçue en 2001 au
concours CR2 CNRS et elle a donc été détachée au CNRS à l'automne 2001. Elle libérera son
poste MCF lors de sa titularisation au CNRS.
13.3. La pyramide des âges de l'unité au 31 décembre 2001
Moyenne d'âge au 15/10/1998 = 43,6 ans
Moyenne d'âge au 31/12/2001 = 43,8 ans
Âge
CNRS UPS
25-29
1
1
30-34
3
3
35-39
5
3
40-44
1
3
45-49
1
1
50-54
4
55-59
2
5
60-64
1
1
Total 18
17
188
13.4. Les doctorants accueillis dans le laboratoire
1991
NOM
RAKOTOARISOA
Louis
Directeur de
thèse
P. Labastie
Date d'arrivée
Septembre 1991
Date de soutenance
12 décembre 1995
Financement
MENRT
Après la thèse
Non renseigné
1992
NOM
DURAND Agnès
Directeur de
thèse
J. Vigué
Date d'arrivée
Octobre 92
Date de soutenance
13 décembre 1995
Financement
MENRT - Moniteur
CABROL Olivier
B. Girard
Novembre 92
13 décembre 1996*
*Ces thèses n'ont duré que 3 années mais le doctorant a dû effectuer son Service National en cours de thèse.
Après la thèse
MCF à l'Univ. du Littoral à Dunkerque - 1996
Ingénieur Entreprise
1993
NOM
BLANCHET Valérie
Directeur de
Date d'arrivée
thèse
B. Girard
Septembre 93
Date de soutenance
Financement
11 octobre 1996
MENRT
PONCHARAL Philippe
P. Labastie
Septembre 93
26 septembre 1996
MENRT - Moniteur
MOUHAMMAD Souheil
C. Benazeth
Novembre 93
4 juin 1997
Après la thèse
Post-Doc (A. Stolow, NRS, Ottawa Canada)
CR CNRS LCAR
Service National 1996-1997
Post-Doc (W de Heer, Atlanta, Georgia, USA)
1997-1999)
MCF à Montpellier – 1999
Post-Doc (J.W. Rabalais, Univ. De Houston,
Texas, USA)
1994
NOM
Directeur de
thèse
CALVO Florent
P. Labastie
BAZALGETTE Grégory J. Vigué
Date d'arrivée
Avril 94
Septembre 94
Date de soutenance
11 juin 1998*
15 décembre 1997
Financement
AMN
MENRT 94-97
Après la thèse
CR CNRS (en 2000) au LPQ Univ. P. Sabatier
Post-Doc (S. Stolte, Vrije Universiteit,
189
Bilan sur l'évolution du personnel de l'Unité
ATER 97-98
Amsterdam, Pays-Bas) 1998 -2000
puis Ingénieur à TPD, Delft, Pays-Bas
1995
NOM
BOISSEAU Christophe
Directeur de
thèse
J. Vigué
Date d'arrivée
Date de soutenance
Financement
Septembre 95
1er février 1999
MENRT
ATER 98-99
NICOLE Céline
A. Bouchène
Novembre 95
22 décembre 1998
MENRT
Après la thèse
Post-Doc (R. Côté, Univ. of Connecticut,
USA) depuis 03/00
Post-Doc à l'OGG/INFM-ILL à Grenoble°
Post-Doc (M. Vrakking, AMOLF,
Amsterdam) 1999-2000
Ingénieur Philipps, Pays Bas
1996
NOM
Directeur de
thèse
CHAMPENOIS Caroline J. Vigué
Septembre. 96
17 décembre 1999
ABIDI Saïd
PRE Thierry
Novembre 96v
Octobre 96
22 juin 2000
Thèse non soutenue
C. Benazeth
A. Beswick
Date d'arrivée
Date de soutenance
Financement
AMN
ATER 99-2000
Bourse Marocaine
MENRT
Après la thèse
ATER PIIM Marseille
CR PIIM Marseille en 2001
Professeur Agrégé Classes Préparatoires 1999
1997
NOM
FERNANDEZALBERTI Sebastian
RABILLOUD Franck
Directeur de
thèse
A. Beswick
Date d'arrivée
Date de soutenance
Financement
Après la thèse
Février 97
4 juin 1999
Bourse Argentine
MCF Univ. de Quilmes, Argentine - 1999
P. Labastie
Septembre 97
27 octobre 2000
MENRT
Post-Doc à Valladolid (01/2001-08/2001)
MCF, Univ. Claude Bernard à Lyon
(Sept.2001)
1998
NOM
ZAMITH Sébastien
Directeur de
thèse
B. Girard
Date d'arrivée
Septembre 98
Date de soutenance
6 décembre 2001
Financement
MENRT
190
Après la thèse
Post-Doc (M. Vrakking, AMOLF,
Amsterdam)
Bilan sur l'évolution du personnel de l'Unité
191
Bilan sur l'évolution du personnel de l'Unité
1999
NOM
GINDENSPERGER
Etienne
DELHUILLE Rémi
DEGERT Jérôme
Directeur de thèse
A. Beswick
Date d'arrivée
Septembre 99
Date de soutenance
Financement
MENRT
Après la thèse
C. Rizzo/M. Büchner
B. Girard
Septembre. 99
Septembre 99
Directeur de thèse
A. Bordenave
J. Weiner/ Ch. Girard
(CEMES)
Date d'arrivée
Septembre. 00
Septembre. 00
Date de soutenance
Financement
MENRT
MENRT
Après la thèse
Directeur de thèse
A. Beswick/
C. Rizzo
J. Vigué/C. Rizzo
M. Richard-Viard
Date d'arrivée
Septembre 01
Date de soutenance
Financement
MENRT
Après la thèse
MENRT-Moniteur
MENRT
2000
NOM
RENTENIER Arnaud
LEVEQUE Gaëtan
2001
NOM
DUPAYS Arnaud
MIFFRE Alain
NIEUWJAER Nicolas
Septembre 01
Septembre 01
MENRT
MENRT
192
Bilan sur l'évolution du personnel de l'Unité
193
14. La formation dans l’unité
Le laboratoire a une politique de formation de ses personnels déjà ancienne et dans
tous les domaines (bureautique, informatique, techniques expérimentales, techniques
spécifiques pour les membres des ateliers ou pour les autres personnels techniques du
laboratoire) et dans ce cadre, de nombreuses formations ont été suivies durant les dernières
années.
Nous avons souhaité renforcer et formaliser cette démarche par un plan de formation
et pour cela nous avons recensé les besoins de tous les membres en demandant de répondre à
un questionnaire comprenant un large spectre de formations et rédigé de manière peu directive
pour permettre une grande variété de réponses. Les demandes ainsi exprimées sont recensées
dans les tableaux qui suivent et vont servir à construire le plan de formation de l'unité.
Il est certain que d'autres besoins apparaîtront durant le prochain contrat, car il n'est
évidemment pas possible de faire des prévisions complètes de nos besoins à 5 ans, ne serait-ce
que par l'arrivée prévisible de nouveaux membres au laboratoire durant cette période.
Totaux
J.Vigué
MF.Rolland
C.Robilliard
M.Richard-V
A.Rentenier
P.Moretto-C
A.Miffre
N.Lorente
R.Lagarrigue
P.Labastie
A.Cloutour
P.Cafarelli
A.Bouchène
A.Bordenave
V.Blanchet
Bureautique
Traitement de texte
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Latex
Word
Endnote
Tableur
Excel
1
Powerpoint
1
1
1
Prep. Figures
1
Origin
1
1
1
Gace
Gnuplot
VTK
1
Web
1
1
1
1
1
1
autres
1
Acrobat
Unix et Linux
1
1
1
1
Power Basic DLL
194
1
1
35
7
2
2
3
3
3
8
5
1
1
1
1
7
5
1
3
1
P.Moretto-C
N.Lorente
R.Lagarrigue
P.Labastie
P.Cafarelli
A.Bouchène
V.Blanchet
Calcul Scient.
1
Fortran
13
2
1
1 1
1 4
1
1
1
1
1
1
1
Java
C
Visual C+++
Mathematica
1
1
1
1
1
1
1
1
Matlab
MPI
High Perf. Comp.
Python
G.Trenec
MF.Rolland
A.Rentenier
B.Lepetit
R.Lagarrigue
A.Dupays
B.deBeauvoir
P.Cafarelli
Langues
1
Anglais
1
1
1
1
Espagnol
9
5
2
2
1
1
1
Allemand
1
J.Vigué
C.Robilliard
P.Paquier
P.Moretto-C
R.Mathevet
R.Delhuille
P.Cafarelli
A.Bouchène
V.Blanchet
Acq. données
1
Labview
1
1
3
2
CAO, DAO
1
mécanique
1
1
1
1
en sécurité
en mécanique
1
4
Formations spéc.
électronique
ORCAD+SPICE
1
W.Volondat
1
W.Volondat
R.Mathevet
C.Benazeth
1
9
9
en optique
1
en Tech. Du vide
195
1
1
1
1
15. Compte rendu du Conseil de laboratoire
du 30 novembre 2001
Membres du conseil de laboratoire
BESWICK Juan Alberto
BORDENAVE-MONTESQUIEU Alain
DEGERT Jérôme
DELHUILLE Rémi
GINDENSPERGER Etienne
GIRARD Bertrand
LABASTIE Pierre
L'HERMITE Jean-Marc
MORETTO-CAPELLE Patrick
MEIER Christoph
PAQUIER Philippe
POLIZZI Laurent
RICHARD-VIARD Martine
TRENEC Gérard
VIGUE Jacques
Présent
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Absent
Ordre du jour :
Votes sur le renouvellement du directeur pour le prochain contrat quadriennal 2003-2006
Il y aura 2 votes sur les propositions suivantes
1ère proposition : J. Vigué est proposé comme directeur du 01/01/2003 au 31/12/2004
2ème proposition : B. Girard est proposé comme directeur à partir du 01/01/2005 et pour
assurer mieux la transition, il est proposé comme directeur adjoint du 01/01/2003 au
31/12/2004
Compte-rendu :
Jacques Vigué rappelle son souhait d’être remplacé à la direction et que Bertrand Girard
accepte de prendre cette responsabilité seulement après la fin de son mandat à la section 04 du
comité national. Ceci explique la solution proposée avec un changement de directeur en cours
de contrat.
Des questions techniques sont posées (rôle d’un directeur adjoint en particulier) et Jacques
Vigué explique que cette fonction, qu’il a occupée de 1992 à 1996, permet d’être, en cas de
besoin, un interlocuteur reconnu pour toutes les instances extérieures. Le directeur adjoint
peut ainsi décharger le directeur en le remplaçant occasionnellement.
On passe aux votes :
Vote sur la première proposition : “ J. Vigué est proposé comme directeur du 01/01/2003 au
31/12/2004 ”
15 votants : 14 oui, 0 non, 1 bulletin blanc
196
CR du Conseil de Laboratoire du 03/12/2001
Vote sur la deuxième proposition : “ B. Girard est proposé comme directeur à partir du
01/01/2005 et pour assurer mieux la transition, il est proposé comme directeur adjoint du
01/01/2003 au 31/12/2004 ”
15 votants : 12 oui, 0 non, 3 bulletins blancs
Les assesseurs des votes sont J. M. L’Hermite et J. A. Beswick qui signent ce procès verbal,
fait à Toulouse le 30 Novembre 2001
J. M. L‘Hermite
J. A. Beswick
197
Hygiène et sécurité
16. Hygiène et sécurité
14.1. Bilan des accidents ou incidents
Au cours de ces 4 dernières années, un seul accident de travail s’est produit au sein de
notre laboratoire. Bertrand GIRARD, au cours d’un réglage sur sa chaîne femtoseconde, a
reçu dans l’oeil un faisceau laser diffusé par une carte de test. Le traumatisme pour sa rétine a
nécessité divers examens ophtamologiques qui ont révelé une perte de son acuité visuelle. Cet
accident a été déclaré aussitôt et un suivi médical est en cours, et nous espérons que Bertrand
GIRARD recouvre, dans un avenir proche, l’essentiel de sa vision antérieure.
14.2. Identification et analyse des risques
Trois types de risques sont propres à notre laboratoire :
• Risques chimiques liés à la manipulation de solvants de nettoyage et d’alcalins.
• Risques Laser lors du réglage des oscillateurs et lors de la propagation des faisceaux.
• Risques Electriques liés à l’utilisation de hautes tensions.
14.2.1. Risques chimiques
Toutes les manipulations des différents alcalins (Césium-Lithium-Sodium), lors du
remplissage des cellules ou des fours, s’effectuent sous boite à gants à atmosphère contrôlée.
La protection propre à ces enceintes est assurée par des poudres d’extinction specifiques
(Markalina) qui peuvent être projetées sur le foyer d’incendie.
Le stockage de ces alcalins est assuré dans des conteneurs spéciaux entreposés dans une
pièce réservée et balisée du laboratoire « Salle de chimie ».
Les solvants de nettoyage - alcool éthylique et acétone - sont également entreposés dans
un local approprié et disponible en quantité plus réduite pour les équipes ou ateliers.
14.2.2. Risques laser
Les dispositifs classiques de protection des expérimentateurs, en particulier le port de
lunettes appropriées, existent sur chaque montage.
Nous avons fait un effort particulier en essayant de mettre sous capotage opaque tous les
systèmes laser - oscillateurs et amplificateurs - ainsi que les différents composants où se
propagent des faisceaux. Ces caches sont à la fois efficaces vis-à-vis de la lumière parasite
émise et de la poussière.
Tout faisceau entre la tête laser et l’expérience se propage dans un tube de PVC surtout
si les distances sont grandes (>50cm).
14.2.3. Risques électriques
La rénovation des circuits de distribution et des équipements électriques de nos locaux
au cours des années 1992 et 1997 a considérablement réduit les risques. L’utilisation de
sources ioniques nécessitant l’emploi de hautes tensions est l’objet d’une attention toute
198
particulière des utilisateurs. L’accès à ces dispositifs doit être strictement barré à toute
personne étrangère et surveillé pour les intervenants.
Différents systèmes optiques possèdent des composants HT et leur environnement doit
être manipulé avec beaucoup de soins.
En ce qui concerne l’Atelier de Mécanique du laboratoire, conformément aux dernières
obligations sur la rénovation des machines-outils, nous avons remis aux normes nos 5
machines (protections mécaniques et électriques). Ces travaux ont été réalisés par nos
techniciens et payés sur des crédits PPF de l’IRSAMC, institut qui assure la vie commune de
notre laboratoire avec le laboratoire de Physique Quantique.
14.3. Structures Hygiène et Sécurité
L’UMR 5589, associée à l’Université Paul Sabatier, au regard de ses effectifs ne
possède pas de Comité d’Hygiène et de Sécurité. Gérard TRENEC assume les fonctions
d’ACMO et a suivi différents stages de formation au cours des dernières années. Il est chargé
de l’information des personnels sur les activités du CHS de l’Université et du CNRS. Il est le
relais entre notre laboratoire et les différentes cellules Hygiène et Sécurité de la Délégation
régionale CNRS et de l’Université Paul Sabatier.
Un registre d’hygiène et de sécurité est mis à disposition des personnels au secrétariat
du laboratoire.
14.4. Formation des personnels
L’accent est mis sur l’information des nouveaux entrants lors de leur arrivée sur les
montages expérimentaux. Les principales règles de fonctionnement des ateliers sont rappelées
et les dispositifs de sécurité électrique sont localisés (emplacement des disjoncteurs et des
dispositifs de coupure)
Il est à noter que, cette année, 2 personnels se sont inscrits à des stages de secouristes du
travail.
14.5. Problèmes de sécurité subsistants
Au cours de l’année 2002, nous espérons que la mise en sécurité contre le vol et le
vandalisme de notre bâtiment (3R1) sera effectuée par l’Université.
Un système d’accès par carte magnétique ainsi que des alarmes volumétriques dans nos
couloirs est à l’étude par les services de l’UFR PCA et devrait être financé en grande partie
par l’Université et l’UFR PCA.
199