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mercredi 1er décembre


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Dynamiques et Interactions : Rayonnement, Atomes, Molécules (DIRAM)

L’équipe DIRAM regroupe 9 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, EMIE, THEMS, …), européens (Laserlab-Europe, GDRi XFEL-Science) 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 des ions atomiques et moléculaires


L’activité de ce groupe est basée sur l’étude expérimentale des processus de photoionisation, dans la gamme d’énergie de photon XUV, de différentes espèces ioniques (ions atomiques multichargés, ions moléculaires…). Les mesures des paramètres physiques caractérisant ces processus (sections efficaces absolues, énergies d’excitation…), réalisées au centre de rayonnement synchrotron SOLEIL, sont comparées aux prédictions issues de différentes théories. Cette confrontation, menée en étroite collaboration avec plusieurs groupes de théoriciens, permet d’améliorer les modèles de mécanique quantique développés pour la modélisation des plasmas astrophysiques (milieu interstellaire, atmosphères planétaires…) et de laboratoire (plasmas laser, 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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Cohérence et contrôle de la dynamique quantique


La production d’impulsions optiques ultra-brèves a ouvert un nouveau chapitre passionnant dans l’étude de la dynamique atomique et moléculaire. Il est dorénavant possible de générer des impulsions laser d’une durée allant de quelques dizaines d’attosecondes à quelques dizaines de femtosecondes et dont le contenu spectral, la distribution de phase et l’enveloppe temporelle sont contrôlables expérimentalement.

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Processus moléculaires contrôlés par des champs laser intenses


Des impulsions laser brèves et intenses produisent de fortes distorsions internes dans les molécules, induisant ainsi des effets dynamiques sélectifs tant au niveau électronique que nucléaire, qui peuvent être exploités à des fins d’imagerie ou pour des stratégies de contrôle.

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Capteurs et métrologie quantiques


Illustration d'un interféromètre atomique

Grâce aux possibilités de manipulation contrôlée des ensembles atomiques par interaction atome-lumière, des mesures très précises peuvent être effectuées avec des gaz atomiques ultrafroids ou avec des gaz quantiques dégénérés. L’incroyable variété d’expériences qui peuvent être réalisées dans ce contexte permet d’améliorer notre compréhension de la mécanique quantique. C’est à cette fin que nous menons des recherches théoriques sur les capteurs quantiques et sur leurs applications terrestres et spatiales, afin de tester les théories fondamentales de la physique moderne.

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