Thèses

Lundi 7 Décembre 2020 à 14h00.

Processus Ultrarapides Fondamentaux dans les Molécules Hautement Excitées : des Systèmes Modèles Neutres aux Ions Moléculaires Complexes

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Le récent essor des sources d’impulsions ultracourtes dans le domaine de l’ultraviolet extrême (XUV) par génération d’harmoniques d’ordre élevé permet l’étude en temps réel des processus induits par l’absorption de photons XUV, sur les échelles de temps attoseconde (1 as = 10-18 s) et femtoseconde (1 fs = 10-15 s). Dans les atomes et molécules, il s’agit d’explorer les dynamiques ultrarapides ayant lieu suite à l’ionisation et à l’absorption d’une grande quantité d’énergie, qui impliquent généralement un grand nombre de particules, électrons comme noyaux, de par les effets multiélectroniques et non-Born-Oppenheimer. Cette complexité intrinsèque de l’interaction entre photons XUV et molécules polyatomiques, ainsi que la difficulté d’opérer ces sources de lumière, ont jusqu’à présent limité les études à quelques systèmes modèles, que ce soit des atomes de gaz rare ou des molécules di- ou triatomiques, tous neutres et facilement manipulables expérimentalement. Seulement récemment, ces études ont pu être menées sur des petites molécules polyatomiques modèles comme des acides aminés ou des composés organiques volatiles, toujours sous forme neutre. Dans toutes ces expériences, la compréhension des processus observés se fait au cas par cas, et a mis en avant l’importance des effets à N-corps. Un des enjeux majeurs de ce domaine est donc d’obtenir une compréhension générale de ces processus, de la même façon que la femtochimie a pu extraire des concepts principaux concernant la dynamique à faible énergie : relaxation non-adiabatique, transfert de charge etc… En parallèle, l’extension de ces développements nécessite également de passer de l’étude de molécules neutres modèles à des systèmes d’une complexité accrue et sous forme chargée comme les ions moléculaires, afin de mimer leur environnement naturel.
Le sujet de cette thèse a été d’aborder ces deux enjeux à travers une série d’expériences et de développements instrumentaux. Dans un premier temps, une étude générale de la réponse femtoseconde suite à une excitation XUV a été menée dans une famille de molécules modèles neutres, les hydrocarbures aromatiques polycycliques. Cette étude sur un ensemble de molécules permet d’obtenir une compréhension plus globale de la dynamique suite à l’absorption de photons XUV dans les molécules complexes, et d’établir des lois générales fondées sur les effets à N-corps. Pour la première fois, le rôle des bandes de corrélation, dues à la corrélation électronique, est mis en évidence dans la réponse au rayonnement XUV, et semble essentiel et général dans les molécules complexes. Dans un second temps, cette thèse porte sur l’extension de ces études à des ions moléculaires de complexité accrue (peptides, alcaloïdes, composés organiques, protéines…), où les effets de flexibilité et de charge naturelle entrent en jeu dans la réponse au rayonnement XUV. Pour réaliser ces études, un nouveau dispositif expérimental unique au monde a été développé, basé sur le couplage entre une source électrospray, les outils d’optique ionique et le rayonnement XUV ultracourt. Ce développement s’est fait en plusieurs étapes allant de l’interaction statique (spectroscopie, ionisation multiphotonique) à la dynamique ultrarapide UV-Visible et XUV dans les molécules chargées. Le dispositif ainsi développé permet d’explorer en temps réel les processus fondamentaux en jeu dans la réponse d’ions moléculaires complexes d’intérêt biologique aux rayonnements XUV ionisants. Il s’agit de la première expérience de ce type, ouvrant de nouvelles perspectives dans le domaine.

Directeurs de thèse : Franck LEPINE, Isabelle COMPAGNON

Membres du jury :
M. Lamri ADOUI, PU, Université de Normandie - CIMAP, Rapporteur
Mme Catherine BARENTIN, PU, Université Lyon 1 - iLM, Examinatrice
Mme Carine CLAVAGUERA, DR, Université Paris-Saclay - ICP, Rapporteure
M. Éric COLLET, PU, Université Rennes 1 - IPR, Examinateur
M. Aurélien DE LA LANDE, DR, Université Paris-Saclay - ICP, Examinateur

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