Activités de recherche

Motivations

• Comprendre la formation et la relaxation d’ions multi-excités (cations-anions)
• Comprendre la dynamique de relaxation sur une grande échelle de temps avec un contrôle sur la nature et la quantité d’énergie d’excitation

Les sujets d’études de l’équipe concernent l’interaction entre des ions de basse énergie (<20 keV par charge) et des cibles isolées allant de petites molécules d’intérêt biologique (MIB) ou d’intérêt astrophysique, jusqu’aux nano objets, comme les bases d’ADN, les PAH, les fullerènes ou des agrégats métalliques.

Les objectifs sont de comprendre les mécanismes d’interaction et d’étudier les dégâts causés à la cible ainsi que ses différents modes de relaxation (ionisation, fragmentation, émission radiative) sur une échelle de temps très large (de la ns à la seconde).

Nos expériences s’effectuent auprès de différents sites nationaux et internationaux comme les installations ARIBE du GANIL (Caen), ZERNIKE du KVI (Groningen), l’IMP de Lanzhou (Chine) mais aussi sur nos deux bancs équipés de sources NanoGan de l'ILM.

La première partie de nos études concerne les processus multiélectroniques provoqués dans des conditions extrêmes lors d’une collision entre un ion et une cible riche en électrons.

Des processus ultrarapides mettant en jeu le transfert jusqu’à 80 électrons et l’émission de plus de 50 d’entre eux dans une plage de temps sub-femtoseconde ont été observés dans les collisions entre le Xe³⁰⁺ et le C₆₀. L’étude impliquant un plus grand nombre d’électrons actifs et l’émission d’impulsions ultracourtes d’électrons est envisagée avec des cibles de gros agrégats métalliques.

La production d’anions dans des collisions entre des projectiles faiblement chargés et des cibles moléculaires est un sujet développé par l’équipe depuis 2006. On s’intéresse aux mécanismes de formation d’anions par la capture multiélectronique et sa stabilisation dans le champ attractif de l’ion cible.

Le taux élevé de production d’anions jusqu’à 10% est la condition essentielle dans nos études de la fragmentation de cibles.

La seconde partie de nos études porte sur la relaxation de systèmes isolés possédant un grand nombre de degrés de liberté.

Depuis 2005, nous avons développé une nouvelle méthode expérimentale en multicoïncidence appelée CIDEC « Collision Induced Dissociation under Energy Control », permettant de mesurer l’énergie d’excitation de chaque cible ainsi que les produits de sa dissociation.

Le mécanisme de dissociation de certaines molécules étudiées présente des intérêts plus larges et interdisciplinaires.

Notamment, l’étude de l’adénine est intéressante pour l’exobiologie car sa formation reste encore l’un des problèmes actuels non résolus concernant l’origine de la vie sur la Terre.

L’étude des PAH présente un intérêt en astrophysique.

L’étude de la fragmentation de peptides et de protéines induite par des ions multichargés permet d’explorer une voie supplémentaire dans l’identification de certaines protéines.

Enfin dans le cadre d’une collaboration Européenne du réseau ITSLEIF, nous avons développé un piège puis un anneau purement électrostatique capable de stocker des molécules et des agrégats jusqu’à plusieurs secondes. Ainsi, il est possible d’étudier des processus de fragmentation sur une gamme de temps très large.

Ce projet à bénéficié d'un financement ANR "ANNEAU"  Dynamique de fragmentation de molécules étudiée avec un anneau électrostatique

Les processus aux temps longs correspondant à la fragmentation au seuil à très faible énergie d’excitation présentent des intérêts dans l’astrophysique pour comprendre les processus inverses : la formation des molécules en phase gazeuse dans le milieu interstellaire.

Expérience de multi-coïncidence

Etude des processus atomiques

Echange de charges: capture électronique

- Formation d’atomes creux

- Formation d’ions négatifs

Autoionisation

Etude de l'excitation et de la relaxation d’une cible isolée

Relaxation sur une échelle de temps courts (ns-µs)

Schémas de fragmentation en fonction de l'énergie interne (CIDEC)

Dépôt d’énergie (électronique, nucléaire)

Plus de détails: CIDEC, ions négatifs, processus de multicapture et fragmentation

Expérience Mini-Ring

 ANR "ANNEAU"  Dynamique de fragmentation de molécules étudiée avec un anneau électrostatique

Etude de l'excitation et de la relaxation d’une cible isolée

Relaxation sur une longue échelle de temps (ns-seconde)

Compétition entre les processus de refroidissement radiatifs et non radiatif (dissociation)

Fragmentation retardée

Mesure de durée de vie

Plus de détails

 Une brève description de l'évolution de nos activités de recherche

- "Beam-foil“ spectroscopie des ions multichargés pour l’interprétation des données astrophysiques et l’étude des plasmas

- Double capture électronique dans des collisions ions-atomes

- Collisions ions multichargés - fullerène C60 Fullerène C60 = réservoir d’électrons + système modèle de taille nanométrique multi-capture électronique fragmentation

- Evolution vers des systèmes complexes de taille plus importante (voir systèmes ci-dessous)

Transition échelle atomique → nanométrique → macroscopique

• Effets de taille et de structure
• Aspects quantiques/ statistiques

Quelques systèmes d'intérêts étudiés

Molécules d'intérêt biologique
	Processus de dommages dans les thérapies par faisceau d’ions Les nombreuses particules secondaires (électrons, ions) peuvent produire des dommages importants Intérêts astrobiologique Traces d’acides aminés et de nucléobases détectées dans les météorites Quels sont les chemins pour la formation de ces molécules dans les nuages interstellaires?
	Spectrométrie de masse Séquençage de grosses biomolécules (peptides, protéines…): l’augmentation de l’état de charge augmente de manière sélective certains chemins de fragmentation ce qui fournit des informations supplémentaires sur la séquence
Système hybride organométallique W(CO)6
	- Système modèle - Liaison métal-organique (transfert de charge) - Aspect statistique /non satistique de la dissociation
PAH: Polycyclic aromatic hydrocarbons (naphtalène, anthracène, pyrene, coronène…)
	- Intérêt astrobiologique (milieux interstellaire, comètes, météorites) - Cycles aromatiques - Polluants issus des énergies fossiles et de la biomasse