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

Figure 1: Proposed experimental scheme. (a₁) A HeD is doped with an alkali atom (green sphere) and a molecule (black sphere) initially separated by a distance r. (a₂) A laser pulse ionizes the alkali atom triggering the start of the reaction (a₃) the two species meet and stabilize by evaporation of helium atoms (a₄) After a delay Δt, a second laser pulse ionizes the formed complex inducing a Coulomb explosion. (d1) List of substitution patterns on the benzene ring considered for the project. X and Y refer to substituents of the hydrogen atoms that will modify the dipole moment and the polarizability of the system according to their nature and relative position. (d2) Relevant alkali atoms for the project with their electronic configuration

Ultrashort laser pulses have revolutionized our ability to track molecular rearrangements in real time with femtosecond resolution (1 fs = 10^-15s), opening new frontiers in understanding chemical reaction dynamics. Generating and controlling these processes, on such rapid timescales, open up exciting opportunities for innovative applications in both chemistry and in biology, which could significantly impact society.

In this context, this project directly addresses the problematic of observing chemical bond formation in real time. This experimental internship at ISMO (Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay) aims to tackle it by combining an ultracold (0.37K) superfluid solvent, hereby named Helium droplets¹ (HeDs), and ultrashort laser pulses in the femtosecond range with tunable excitation radiation (240-800nm).

We will rely on time-resolved photoionization spectroscopy², a technique based on the ionization of the species by the laser pulses and on the detection of the electrons and ions as molecular probes. The electron carries information about the initial electronic state of the ionized species, while the ion reveals the final state after relaxation processes such as fragmentation or isomerization.

In particular, we will use a pump-probe scheme (Fig. 1) to follow in real time the diving of an alkali ion  (Fig. 1 d2) inside the HeD³ and its reaction with benzene-like molecules. This class of molecules allows to play with electrostatic properties (Fig. 1 d1), such as the dipole and quadrupole, by changing the group attached to it. We will investigate the evolution of the bond formation dynamics and the structure of the formed ionic complex according to the nature and the position of the group. We will compare the experimental results with high-level ab-initio theory and aim at developing phenomenological models to unravel the role of the solvent in the reaction.

Application Requirements

We seek candidates at the Master’s level in physics, chemistry, or related fields with a strong interest in experimental physics and instrumentation. Programming experience, particularly in Python, is beneficial, along with motivation for fundamental research and technical problem-solving.

Expected Outcomes

You will contribute to high-impact publications in ultrafast science and cold molecules while developing highly sought-after skills for both academic and industrial careers. This position represents a unique opportunity to develop cutting-edge instrumentation while contributing to fundamental advances in chemical reaction dynamics, combining advanced technology development with fundamental science.

[1]        J. P. Toennies et A. F. Vilesov, Superfluid Helium Droplets: A Uniquely Cold Nanomatrix for Molecules and Molecular Complexes Angew. Chem. Int. Ed. 43 (2004), doi: 10.1002/anie.200300611.

[2]        M. S. Schuurman et V. Blanchet, Time-resolved photoelectron spectroscopy: the continuing evolution of a mature technique Phys. Chem. Chem. Phys. 24 (2022), doi: 10.1039/D1CP05885A.

[3]        S. H. Albrechtsen, C. A. Schouder, A. Viñas Muñoz, J. K. Christensen, C. Engelbrecht Petersen, M. Pi, M. Barranco, et H. Stapelfeldt, Observing the primary steps of ion solvation in helium droplets Nature 623 (2023), doi: 10.1038/s41586-023-06593-5.

For more information please contact:

Constant Schouder

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tel: 01 69 15 75 51

L’étude photochimique des nanoparticules (NP) revêt une importance majeure dans des domaines aussi variés que la biologie, les nanotechnologies ou la conversion d’énergie. En effet, lorsque la taille des objets devient comparable à la longueur d’onde d’excitation, des phénomènes photophysiques spécifiques apparaissent, absents dans les systèmes isolés ou macroscopiques. Parmi ceux-ci figurent des effets non linéaires, induits par l’amplification locale du champ électromagnétique ou par la formation d’états excitoniques confinés [1].

Ce stage s’intéressera plus particulièrement aux effets fortement non linéaires apparaissant sous éclairement laser intense. Les travaux débuteront par une caractérisation systématique de l’interaction laser-nanoparticule pour des nanoparticules isolées et de taille sélectionnée. Cette interaction générera un plasma, produisant des ions comme observable principal — dont la masse, la vitesse et la distribution angulaire seront mesurées pour élucider les mécanismes d’interaction lumière-matière aux échelles femtoseconde et nanométrique. Le stage portera sur l’étude de nanoparticules organiques et inorganiques.

Dispositif expérimental
Les expériences seront réalisées à l’ISMO à l’aide d’un laser femtoseconde (3 kHz, 30 fs, 4,5 mJ, 800 nm). Un jet de nanoparticules de taille sélectionnée sera focalisé pour interagir avec le laser au sein d’un spectromètre à imagerie de vitesse (VMIS, Velocity Map Imaging Spectrometer).

Des mesures de la masse, de la vitesse et de la distribution angulaire des photoions émis seront effectuées pour différents paramètres d’impulsion laser (intensité, durée d’impulsion, etc.) afin d’éclairer les mécanismes d’interaction lumière-matière aux échelles femtoseconde et nanométrique. Ces mesures seront réalisées à l’aide d’une caméra haute performance TPX3Cam.

Traitement des données
Les données expérimentales seront analysées à l’aide de scripts Python, incluant des algorithmes d’apprentissage automatique supervisé et non supervisé pour l’extraction de caractéristiques et l’interprétation des résultats.

Les événements individuels seront enregistrés dans une base de données et traités via une pipeline personnalisée développée pendant le stage. Cette approche permettra d’extraire des tendances statistiques en fonction des paramètres d’interaction (par exemple, intensité du laser, taille des NPs), pour les nanoparticules organiques et inorganiques.

[1] A. Lietard, et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 11206-11214 (2018).
[2] G. Gallician, « Effets d’anisotropie dans la photo-ionisation induite par laser ultracourt de molécules et de nanomatériaux isolés en phase gazeuse », Thèse de l’Université Paris-Saclay (2020).