Thème 3

Dynamique ultra-rapide : des sources de rayonnements aux réponses multi-échelles

Les transformations de la matière résultent de mouvements élémentaires des électrons et des noyaux à des échelles de temps très variées. Dans une réaction chimique ou biologique, dans un réseau cristallin, les noyaux « bougent » à des échelles de temps allant typiquement de la femtoseconde (1 fs = 10-15 s) à plusieurs picosecondes, voire très au-delà dans les systèmes complexes, intrinsèquement « multi-échelle ». Dans les mêmes systèmes, mais aussi dans les plasmas, les électrons évoluent quantiquement à des échelles de temps qui peuvent être encore plus brèves dans le domaine attoseconde ( 1as = 10-18 s). a toutes les échelles spatiotemporelles, les dyamiques électronique et nucléaire sont couplées, directement (de manière diabatique) ou en moyenne (adiabatique). Après l’essor considérable des femtosciences depuis les années 80, basé sur le développement des lasers femtoseconde, l’avèneent récent de sources de lumière contrôlées à l’échelle attoseconde rend possible l’étude en temps réel des dynamiques électroniques et nucléaires les plus rapides.

La Dynamique Ultrarapide, depuis les attosciences jusqu’aux études multi-échelle, constitue un enjeu majeur de la Physique et de la Physico-Chimie des années à venir.

Dans les ssystèmes moléculaires en phase gazeuse, elle doit perettre d’explorer le mouvement attoseconde cohérent de paquets d’ondes électroniques (Figure 1), et son couplage au mouvement nucléaire, ouvrant la voie au contrôle cohérent à des échelles ultimes.

Dans les systèmes complexes tels que les molécules biologiques (Figure 2), la redistribution de l’énergie à partir des étapes d’excitation/relaxation initiales, ultrarapides, conduit à des processus d’interêt majeur, tels que transfert de proton, isomérisation, etc.

En phase condensée, la Dynamique Ultrarapide pourra suivre en temps réel le développement de corrélations électroniques, le transport de charges, les dynamiques de magnétisation, ainsi que les dynamiques structurales, qui confèrent leurs propriétés aux matériaux avancés.

En phase plasma, la dynamique électronique ultrarapide à très haute intensité laser, dans le régime dit relativiste, conduit à la génération d’impulsions de lumière ultrabrèves, ainsi que de « paquets » de particules très énergétiques, dont les applications à la science des matériaux et à la médecine sont particulièrement prometteuses.

Le Campus de Paris-Saclay offre un ensemble de sources de lumière très performantes et complémentaires. Plusieurs lasers femtoseconde et des sources secondaires attoseconde (harmoniques dans l’extrême UV) fournissent les outils indispensables à l’étude des dynamiques les plus rapides. Les lasers du CLUPS couvrent les échelles de temps allant de la picoseconde à la nanoseconde et donnent accès aux études multi-échelles. Le rayonnement synchrotron SOLEIL, aux propriétés de brillance et d’accordabilité uniques, est l’outil privilégié des études spectrales complémentaires des études résolues en temps, qu’il permet également.

Auprès de ces sources, plusieurs équipes de niveau international ont développé des expertises de pointe, expérimentales et théoriques, dans les études dynamiques en phase diluée, condensée et plasma. Finalement, l’interaction laser-plasma à très haute intensité est au cœur des programmes de l’Equipex CILEX financé en 2010.

Le thème Dynamique Ultrarapide : des sources de rayonnement aux réponses multi-échelles souhaite favoriser les actions interdisciplinaires et soutenir les projets innovants, qui concernent :

  • Systèmes isolés : imagerie de la dynamique cohérente électronique et nucléaire, attophysique, femtochimie et femtobiologie
  • Matière condensée: dynamique électronique et structurale, magnétisation, transitions de phase
  • Physique à très haute intensité, plasmas : émission X ultra-brève, accélération d’électrons et d’ions
  • Mécanismes de réaction multi-échelles dans les systèmes biologiques
  • Sources de lumière et de particules aux limites : lasers ultra-courts, sources secondaires
T3 DFT simulation of charge delocalisation in a cluster of 5 water molecules

DFT (Density Functional Theory) simulation of charge delocalisation in a cluster of 5 water molecules. During a first phase (a few hundred attoseconds), delocalisation takes place on one of the molecules ; later on, charge variations are found on all molecules. 

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Des systèmes laser intenses, fiables et de haute cadence, permettront des applications de plus en plus riches et diversifiées. Pour aller au-delà des lasers existants, des techniques nouvelles sont étudiées : amplification paramétrique optique à dérive de fréquence, pompage par diode, nouveaux cristaux amplificateurs, addition cohérente de faisceaux issus de lasers vibrés.

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L’interaction d’impulsions laser ultra-intenses avec la matière donne lieu à des processus spectaculaires, tels que la génération d’impulsions lumineuses de très courte longueur d’onde et de particules énergétiques. La caractérisation de l’interaction nécessite la mise au point de diagnostics sous vide complexes et innovants. 

T3 Stroppa T3 Femtosecond ytterbium doped fiber chirped pulse amplifier.png - copie
Alignment of the UHI100 laser-plasma Stroppa (CEA)

Femtosecond ytterbium doped fiber chirped pulse amplifier (Institut d’Optique)

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Contact : Marino Marsi