Mécanismes d’ionisation de systèmes libres en lumière extrême

L a structure et la dynamique des assemblages d’atomes (molécules, agrégats, nanostructures, matériaux,. . . ) résultent d’un équilibre complexe entre effets électroniques (principalement dûs aux électrons de valence) et effets ioniques (ici le terme «ion» désigne le noyau atomique et ses électrons de cœur). Ainsi, une étude de la dynamique de ces systèmes s’appuie sur une caractérisation simultanée des degrés de liberté électroniques et ioniques. Une des difficultés majeures tient à la différence d’échelle de temps entre les mouvements électroniques (de nature quantique et de l’ordre de la femtoseconde) et les mouvements ioniques (de nature classique dans la plupart des cas et de l’ordre de quelques centaines de femtosecondes). L’objectif de ce travail est d’étudier, à l’aide d’un modèle théorique et de simulations numériques, des processus dynamiques, et en particulier des phénomènes de transports électroniques mis en jeu lors de l’excitation (par exemple, par irradiation d’un laser femtoseconde ou par collision avec un ion multichargé) d’agrégats métalliques (composés d’atomes de sodium) et de molécules d’intérêt biologique (composées de carbone, d’azote, d’oxygène et d’hydrogène). Ces objets sont donc soumis à une perturbation qui peut les éloigner fortement de leur état d’équilibre. Le modèle et les outils numériques développés doivent donc permettre une simulation dynamique multi-échelle du système sur des durées de quelques centaines de femtosecondes. 

Systèmes libres 

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à des systèmes libres, en phase gazeuse et plus précisément dans le vide, sans interaction avec un autre système ou un environnement. Nous avons plus particulièrement étudié des agrégats métalliques composés de sodium et des petites molécules organiques soumis à une irradiation laser de quelques dizaines de femtosecondes.

 Les molécules 

Le nom «molécule» provient du latin molecula, diminutif du nom latin moles, se traduisant par «masse». Le concept de molécule a été présenté la première fois en 1811 par Amedeo Avogadro. Jusqu’à cette époque, les termes atome et molécule étaient utilisés de manière indistinctes. Dans son célèbre article «Essay on Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies», il déclare pour la première fois que : « la plus petite particule constitutive d’un gaz n’est pas nécessairement un atome unique, mais une combinaison d’un certain nombre de ces atomes unis par des forces attractives pour former une molécule unique ». Mais ce n’est qu’un siècle plus tard que l’existence des molécules est confirmée par le travail de Jean Perrin qui a alors confirmé expérimentalement l’explication théorique du mouvement brownien en termes d’atomes proposée par Albert Einstein en 1905. Actuellement, on peut définir une molécule comme un assemblage d’au moins deux atomes, qui peut exister à l’état libre. Les molécules constituent des systèmes atomiques liés par des liaisons covalentes qui sont formées par le recouvrement d’au moins deux orbitales des électrons de valence entre deux atomes et qui forment alors une orbitale commune décentralisée sur la liaison interatomique. De nos jours, les recherches sur les molécules couvrent de nombreux domaines de recherche. En particulier, depuis les années 2000, le contrôle de plus en plus précis des impulsions laser à une échelle de temps approchant la femtoseconde, de l’ordre même de la dynamique électronique, a ouvert un nouveau domaine de recherche sur la spectroscopie femtoseconde permettant de sonder directement les degrés de liberté électroniques ou vibrationnels des systèmes étudiés (Zewail 2000).

 Les agrégats 

En ce qui concerne les agrégats, la définition même demeure toujours imprécise ; néanmoins, en physique, on désigne par agrégat un système fini de N atomes liés, N variant de 2 ∼ 3 à 105 ∼ 107 atomes, qui par sa(ses) structure(s) et ses propriétés se distingue des molécules et des réseaux infinis. Par convention, on note l’agrégat composé de N atomes de l’élément chimique X de la manière suivante : XN . La particularité des agrégats résident dans leur position intermédiaire entre les molécules et les réseaux infinis. Une molécule a généralement une ou des structures et une composition bien définies. Un tel système, même avec un grand nombre d’atomes, comporte un petit nombre d’isomères. En revanche, les agrégats possèdent souvent un très grand nombre d’isomères très proches les uns des autres du point de vue énergétique. De plus, le nombre d’isomères croît très rapidement avec le nombre d’éléments constituant l’agrégat. À titre d’exemple, pour l’agrégat Ar13, on dénombre actuellement 938 isomères alors que seulement 8 ont été identifiés pour Ar8 . Une telle diversité des structures rend la détermination de la structure la plus stable relativement difficile. D’autre part, ce qui différencie l’agrégat du réseau se situe dans le spectre des niveaux électroniques : dans un système fini, comme un agrégat, les niveaux sont discrets alors que dans un système infini, les niveaux sont très proches et forment des bandes. Bien que la diversité des agrégats rend toute classification imparfaite, une classification selon la “taille” de l’agrégat peut être effectuée en se basant sur le rapport entre le nombre d’atomes en surface NS et le nombre d’atomes internes au système NV. Le tableau 1.1 donne un ordre de grandeur de la taille (nombre d’atomes et diamètre) dans le cas d’un agrégat de sodium.