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

L’équipe DIRAM regroupe 9 chercheurs, théoriciens et expérimentateurs, autour de l’étude de processus fondamentaux et de comportements dynamiques dans l’interaction rayonnement-matière. Elle accueille actuellement 5 doctorants.

L’équipe s’intéresse aux processus d’excitation, d’ionisation et/ou de dissociation induits par le rayonnement dans des atomes, des ions ou des molécules, essentiellement en phase gaz, et dans des régimes d’éclairement variés. L’interaction avec des impulsions laser intenses (quelques dizaines de TW/cm2) et ultra-brèves (femtosecondes à attosecondes) donne accès notamment à l’étude de mécanismes fondamentaux pour l’interprétation et le contrôle de la dynamique électronique et nucléaire. Ces études ouvrent de nombreuses applications, tant en imagerie moléculaire qu’en termes de réponse optique des systèmes et de production de nouvelles sources laser.

Les effets collectifs, les corrélations et le rôle de l’environnement sur la dynamique des systèmes quantiques constituent également des lignes de recherche de notre équipe en nano-physique, en optique quantique et en information quantique.

Les rayonnements X et XUV sont au cœur des études expérimentales réalisées sur des installations spécifiques, telles que le synchrotron SOLEIL, les sources harmoniques du CEA-Saclay, les lasers XUV à plasma de LASERIX ou du LOA, ou encore les nouveaux lasers X à électrons libres (notamment FERMI-Elettra en Italie). Les expériences reposent sur des méthodes originales et une instrumentation de pointe, souvent unique, pour extraire des données fines sur les processus étudiés : spectroscopie de moments en coïncidences pour la photoionisation dissociative de molécules ou la photoionisation multiple, source d’ions ECR pour la mesure de sections efficaces absolues de photoionisation des ions multichargés, interférométrie XUV pour les propriétés spectro-temporelles des lasers XUV.

Au niveau théorique, notre recherche utilise les techniques de mécanique quantique dépendant du temps, notamment les méthodes de propagation de paquets d’ondes, ainsi que le formalisme de la résolution d’équations couplées de type Maxwell-Schrödinger.

Au delà de ses nombreuses collaborations avec des laboratoires français et étrangers, l’équipe est impliquée dans plusieurs réseaux scientifiques nationaux et européens (Laserlab-Europe, GDRi XFEL-Science, ITN CORINF) ainsi que dans le cadre de l’Université Paris-Saclay (OPT2X, ATTOLab, CILEX).

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 lasers intenses : Dynamiques électronique et nucléaire

Des impulsions laser intenses produisent d’importantes distorsions dans les molécules, induisant de ce fait des effets sélectifs sur la dynamique électronique et nucléaire, susceptibles d’être exploités en vue de l’imagerie et du contrôle de tels systèmes.

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Matière froide et information quantique

L’intrication est une propriété fondamentale des systèmes quantiques. Elle est définie comme la non séparabilité d’un état décrivant un ensemble de plusieurs corps. L’intrication est aussi responsable de la propriété de non-localité qui a été au cœur d’un intense débat dès le début de l’élaboration de la mécanique quantique. En dépit de son intérêt fondamental et de son importance pour les applications, la détection et la caractérisation de l’intrication reste un défi pour les théoriciens comme pour les expérimentateurs.

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