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Dynamics and Interactions: Radiation, Atoms and Molecules (DIRAM)

Des atomes froids aux plasmas chauds… Des molécules diatomiques aux agrégats… De la picoseconde à l’attoseconde…

L’équipe DIRAM regroupe 8 enseignantes-chercheuses, chercheuses, enseignant-chercheur et chercheurs ainsi que 7 doctorantes et doctorants, sur des thématiques théoriques ou expérimentales, liées à l’étude de comportements dynamiques dans l’interaction rayonnement-matière ou induits par cette interaction.

Nous étudions particulièrement la dynamique de processus fondamentaux (excitation, ionisation, dissociation, échange et/ou relaxation d’énergie), induits par un rayonnement sur des systèmes isolés, généralement en phase gazeuse : atomes, ions, molécules, assemblages moléculaires, agrégats, jusqu’à des nanostructures.

Nos études visent à la compréhension (i) de la dynamique individuelle de l’objet d’étude, (ii) des perturbations induites par un environnement sur la dynamique de cet objet ou (iii) de la contribution de la dynamique individuelle à des dynamiques collectives.

Les échelles temporelles qui nous intéressent vont de la dizaine d’attosecondes ( 10 as = 10 x 10-18 s), caractéristique des mouvements électroniques, jusqu’à la centaine de picosecondes ( 100 ps = 100 x 10-12 s), qui couvre les mouvements de larges structures atomiques ou moléculaires.

Les sources de rayonnement que nous considérons vont de l’infrarouge au domaine VUV-X mou, dans des régimes d’interaction variés : absorption mono-photonique d’un état de valence (UV-visible) ou de couches électroniques profondes (VUV, X-mou) ; ou interaction multi-photonique produite par un laser infra-rouge ultra-court (35 fs à 3 ps) conduisant à l’ionisation simple ou la multi-ionisation, jusqu’à la formation d’un plasma et à son couplage avec le laser. Certaines de ces sources sont disponibles sur des installations spécifiques, extérieures au laboratoire, sur lesquelles nos campagnes expérimentales peuvent être réalisées (SOLEIL-synchrotron, ATTOLab, LASERIX, FERMI-Elettra, …).

L’information dynamique est caractérisée soit par des études spectroscopiques (mesure d’une largeur de raie d’absorption, d’un spectre d’action ou d’un spectre de photoélectron), soit par des études résolues en temps de type pompe/sonde, ou encore par des simulations numériques (dynamique quantique des noyaux et des électrons). Nous étudions tout particulièrement les phénomènes purement quantiques, associant aussi un possible contrôle par des champs lasers intenses : phénomènes de cohérence et d’interférences, résonances quantiques, effet tunnel, condensat de Bose-Einstein, etc…

Au-delà de ses nombreuses collaborations avec des laboratoires français et étrangers, l’équipe est impliquée dans plusieurs projets de l’Université Paris-Saclay (ATTOLab, QUANTUM), ainsi que dans plusieurs réseaux scientifiques nationaux (GDR UP, GDR EMIE, THEMS, …), européens (Laserlab-Europe, GDRi XFEL-Science, COST AttoChem) et internationaux (IRN MCTDH).

L'équipe DIRAM en Octobre 2021
L’équipe DIRAM en Octobre 2021

Dynamique ultra-rapide électron-noyaux sondée par photoionisation des molécules


L’irradiation d’une molécule par un rayonnement XUV induit une excitation électronique à l’origine d’un ensemble de processus, éventuellement couplés entre eux, incluant l’ionisation (éjection d’un ou de plusieurs électrons), la propagation de paquets d’onde électroniques (migration de charge), ou la mise en mouvement des noyaux (paquets d’onde vibrationnel ou rotationnel, dissociation), qui constituent autant d’étapes intervenant dans la compréhension des mécanismes et le contrôle des réactions chimiques.

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Photoionisation of atomic and molecular ions


The activity of this group is based on the study of photoionization processes, in the XUV photon energy range, in various ionic species (atomic multiply-charged ions, molecular ions…). The measurements of the physical parameters which characterized these processes (absolute photoionization cross sections, excitation energies…), performed at the SOLEIL synchrotron radiation facility, are compared to the theoretical predictions obtained from various models. This comparison, done in close collaboration with several groups of theoreticians, enables the improvement of the quantum mechanics models developed for the modeling of astrophysical plasmas (interstellar medium, planetary atmospheres…) and laboratory plasmas (laser produced plasmas, tokamak…).

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Propriétés spectrales et temporelles des lasers XUV générés par plasma


Les plasmas chauds et denses, générés par des lasers de forte puissance ou des décharges électriques très rapides, peuvent être utilisés pour générer un faisceau laser à courte longueur d’onde dans le domaine XUV (longueur d’onde 2 - 50 nm). L’inversion de population, nécessaire à l’effet laser, est produite entre deux niveaux excités de certains ions fortement chargés (par exemple Mo14+), sous l’effet des collisions avec les électrons libres. L’effet laser démarre à partir de l’émission spontanée, qui est ensuite fortement amplifiée par émission stimulée, conduisant à l’émission d’un faisceau laser XUV intense, collimaté et extrêmement monochromatique.

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Coherence and control of quantum processes


The production of ultra-short optical pulses has opened an exciting new chapter for the study of atomic and molecular dynamics. It is now possible to generate laser pulses with a duration ranging from a few tens of attoseconds to a few tens of femtoseconds and whose spectral content, phase distribution and temporal envelope can be controlled experimentally.

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Intense laser controlled molecular processes: Electronic and nuclear dynamics


Short intense laser pulses produce strong internal distortions in molecules, inducing thus selective dynamical effects both at the electronic and nuclear level, which can be exploited for imaging purposes or in designating control strategies.

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Quantum sensing and metrology


Illustration d'un interféromètre atomique

Thanks to the possibilities of controlled manipulation of atomic ensembles by atom-light interaction, very precise measurements can be made with ultra-cold atomic gases or with degenerate quantum gases. The incredible variety of experiments that can be performed in this context improves our understanding of quantum mechanics. To this end, we are conducting theoretical research on quantum sensors and on their terrestrial and space applications, to test fundamental theories of modern physics.

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Femtochimie en phase gazeuse



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Science attoseconde et attochimie



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L’équipe développe des activités expérimentales et théoriques en sciences attosecondes.

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