Dynamiques Photo-induites

Etudier des réactions chimiques dans un agrégat est un moyen élégant pour étudier les effets d’un milieu réactionnel sur la dynamique d’une réaction chimique. La technique « Cluster Isolated Chemical Reaction » (CICR) est particulièrement intéressante en ce domaine, de par sa souplesse : cette technique permet de choisir un nombre connu d’atomes ou molécules réactives et de les mettre au contact d’un milieu, l’agrégat, dont la structure et la température sont connues. L’agrégat joue successivement deux rôles : en premier lieu il sert à capturer collisionnellement les réactifs, ensuite il mime le solvant. Les motivations pour isoler des réactions sur agrégat de van der Waals (ou d’hélium) sont de plusieurs types :

• Utiliser la souplesse de la technique CICR pour créer un objet d’étude difficile à obtenir autrement, et en étant sûr de renseigner spectroscopiquement sur celui-ci.
• Déterminer la stoechiométrie exacte d’une réaction.
• Etudier comment l’agrégat perturbe la réaction qui a lieu en son sein. Deux effets existent : i) mécanique en gênant des mouvements, ii) électronique en modifiant la hauteur relative des différentes surfaces de potentiel qui participent aux réactions chimiques étudiées, voire en modifiant les surfaces elles mêmes. L’interaction dipôle induit/dipôle permanent stabilise en effet les surfaces de potentiel ou les zones de surfaces de potentiel correspondant à un transfert de charge par rapport à celles pour lesquelles il n’y a pas de transfert de charge.

Le délai (temps) d’émission d’un photoélectron résolu angulairement dans le référentiel moléculaire porte la signature de l’interaction de l’électron éjecté d’une orbitale moléculaire par absorption d’un photon XUV avec le potentiel électrostatique représentant la structure électronique de la molécule. La détermination de cette observable est en général l’objectif d’expériences complexes à deux photons (XUV – IR), résolues temporellement à l’échelle attoseconde.  Nous avons démontré que de tels délais de photo-ionisation peuvent être déterminés par la mesure des diagrammes d’émission moléculaire des photoélectrons résolue spectralement dans le domaine XUV auprès du rayonnement synchrotron (SOLEIL). La réaction illustrant ces résultats expérimentaux et théoriques met en jeu l’interférence entre l’ionisation directe et l’ionisation résonante due à une résonance de forme, décrite par un modèle de Fano multivoies (voir figure). L’état résonnant, responsable de la modulation de la section efficace, augmente le délai d’ionisation par la rétention de l’électron avant ionisation et en modifie le diagramme d’émission.

Le délai d’ionisation peut aussi être mesuré par une approche résolue en temps, en utilisant la méthode RABBIT qui consiste à mesurer la différence de retard pris par un électron qui s’échappe d’un ion, pour différentes énergies d’ionisation. Dans le cadre d’une collaboration avec le LIDYL, l’ILM et le LCPMR, et en introduisant une approche angulaire à la mesure, nous avons pu reconstuire le film du processus d’ionisation dans l’hélium.

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L’étude des processus de photoionisation dans les espèces ioniques est indispensable pour la caractérisation et la modélisation de nombreux plasmas, qu’ils soient de laboratoire (plasmas laser, tokamak…) ou d’intérêt astrophysique (étoiles, nébuleuses…) et planétologique (ionosphères). Du point de vue fondamental, la compréhension des interactions photons-matière dans les systèmes atomiques complexes constitue un véritable défi pour les modèles théoriques qui visent à décrire les différentes interactions en compétition à l’intérieur du cortège électronique atomique. Le processus de photoionisation permet, entre autres, de suivre l’évolution de l’intensité relative des corrélations électroniques dans les séries isonucléaires en fonction de la variation de l’intensité du potentiel central.

Les expériences sur la photoionisation d’espèces ioniques ont débuté dans les années 1985 en utilisant le rayonnement synchrotron délivré par l’anneau ACO et ont été poursuivies à Super ACO, puis sur la ligne de lumière  Pléiades de Soleil où le dispositif expérimental actuel MAIA dispose d’une implantation permanente. Un seul montage, situé en Allemagne, le concurrence.

Parmi les nombreux résultats ont obtenus, on peut citer l’étude du collapse de l’orbitale 4f dans l’iode, le xenon ou le Baryum en fonction du degré de charge initial de l’ion, l’étude des séries isonucléaires d’ions d’intérêt astrophysique ( C, N, O, Fe), ou l’étude des système lourds dont la modélisation nécessite l’emploi des UTA. Ces études se sont étendues à des systèmes plus complexes que sont les hydrures.

Collaborations:
E.T. Kennedy, J.P. Mosnier  (Dublin College University)
C. Blancard (CEA Bruyères-le-Châtel)
B. Mc Laughlin (Harvard Smithsonian Center for Astrophysics)
T. Gorczyca (Western Michigan University)
S. Cargniato (LCPMR, Paris)

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