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Le nom du mod`ele utilis´e est CTMC-QUEST (Classical Trajectory Monte

Carlo-QUantum Electron Scattering Theory). Cette description th´eorique compl`ete est bas´ee

sur une approche combin´ee classique-quantique du mod`ele `a trois ´etapes. Ce mod`ele ne

va pas, non plus, ˆetre d´ecrit en d´etail mais cette partie va tenter de l’introduire de ma-ni`ere tr`es succincte pour que le lecteur en comprenne la philosophie g´en´erale. Pour une description compl`ete de celui-ci on se r´ef´erera `a la publication [Higuet 11].

La m´ethode CTMC permet de construire le paquet d’ondes recombinant en terme de

trajectoires. La m´ethode QUEST est utilis´ee lorsque les trajectoires du paquet d’ondes

´

electronique sont d´efinies.

Nous avons vu que lorsque l’on int`egre le moment dipolaire de recombinaison suivant

un axe, on d´ecale le minimum du spectre harmonique vers les hautes ´energies. Mais cela

ne suffit pas `a expliquer totalement le d´ecalage observ´e.

Le mod`ele CTMC utilise un ensemble statistique de particules dont les positions et

vitesses initiales sont choisies de mani`ere `a repr´esenter classiquement l’´etat fondamental

de l’argon. La trajectoire de chacune de ces particules est alors calcul´ee sous les effets

combin´es du champ et du potentiel coulombien.

Pour certaines de ces trajectoires, l’´energie totale devient positive59, ce qui se traduit

par l’ionisation du syst`eme. Les trajectoires peuvent ensuite, apr`es propagation dans le

continuum, revenir sur le cœur ionique pour s’y recombiner et contribuer alors au signal

harmonique. Pratiquement on s´electionne les trajectoires participant activement au signal

harmonique en d´efinissant un sph`ere centr´ee autour de l’atome60. Ces trajectoires doivent donc r´epondre `a toutes les conditions suivantes : ˆetre ionis´ees, ˆetre sorties de la sph`ere, revenir vers le cœur ionique et p´en´etrer dans la sph`ere. La recombinaison est d´efinie comme le moment o`u ces trajectoires entrent dans la sph`ere.

Lorsque, en fonction de sa trajectoire, l’´electron recollisionne, on peut calculer sa

probabilit´e de recombinaison en fonction de son angle et de son ´energie cin´etique (on

proc`ede `a un calcul du carr´e de l’´el´ement de transition dipolaire). Une fois que l’on a acc`es `a cette probabilit´e (figure 6.20), on remarque que le nombre de points en fonction de l’´energie est diff´erent. Le flux d’´electrons recombinant d´epend donc de leur ´energie

cin´etique, ce qui d´eplacera le minimum du signal harmonique par rapport au minimum

de probabilit´e. C’est ce que l’on voit sur la figure 6.20 o`u les deux minima sont d´ecal´es. La probabilit´e de photorecombinaison est d´efinie par :

PP R(E, ˆk, t) =

2E

24 |IE,ˆk,0eE,ˆk,0− IE,ˆk,2(3 cos2θk− 1)eE,ˆk,2|2 (6.16)

o`u θk est l’angle entre l’axe z (axe de polarisation du laser) et k le vecteur d’onde de la

fonction d’onde libre. A l’aide de cette ´equation on peut calculer le signal harmonique :

S(ω, ˆn, t) = 1 N NRet(t) X i=1 PP R(Ei(t), ˆki(t)) f (Ei(t), ω) (6.17)

59. L’´electron `a assez d’´energie pour s’´echapper du potentiel.

60. Ici la sph`ere `a un rayon de 5 × a0, o`u a0 est le rayon de Bohr, ce qui correspond `a l’extension spatiale de l’orbitale 3p de l’argon.

6.5. Description th´eorique compl`ete 141

Figure 6.20: Probabilit´e de recollision (noir discret) et signal harmonique (rouge pointill´e) en fonction de l’´energie de photon

avec f (Ei(t), ω) = 1 si Ei(t) + IP = ω et 0 autrement. Ce calcul est donc une somme

discr`ete sur tous les ´electrons recombinants. A l’aide de cette ´equation, nous remarquons

que la probabilit´e de recombinaison combin´ee `a la d´etermination du nombre de

trajec-toires recombinantes pour une ´energie donn´ee, nous permet d’obtenir la forme du spectre

harmonique. La somme discr`ete traduit le caract`ere statistique de la m´ethode.

Un autre avantage du calcul CTMC (par rapport `a un calcul TDSE par exemple) est

que les deux types de trajectoires (courtes et longues) sont facilement s´eparables. Leurs

densit´es d’´electrons recombinants en fonction de l’´energie de photon sont repr´esent´ees sur

la figure6.21. Comme ce qui est observ´e sur les spectres exp´erimentaux on remarque que

la majeure partie du spectre provient des ´electrons recombinants apr`es une trajectoire

courte. Ce qui est coh´erent puisque l’extension spatiale des trajectoires longues est trop

importante pour que leur probabilit´e de recombinaison soit grande.

La figure 6.22 met bien en exergue le fait que la position du minimum est diff´erente

en fonction de la famille de trajectoire. La position du minimum des trajectoires longues est clairement d´ecal´ee vers les basses ´energies alors que celui des trajectoires courtes est `

a une position de 53.7 eV.

Pour comparer l’exp´erience `a ce mod`ele il convient de ne prendre que les trajectoires

courtes. La figure 6.23 repr´esente donc le minimum calcul´e `a l’aide de ce mod`ele et le

spectre exp´erimental. On remarque que le minimum th´eorique `a 53.7 eV est un excellent

accord avec l’exp´erience. Mais plus encore, toute la forme du spectre est repr´esent´e par

Figure 6.21: Densit´e d’´electrons recombinants en fonction de l’´energie et du type de trajectoires. Les trajectoires longues sont repr´esent´ees en bleu et les courtes en rouge.

Figure 6.22: Signal harmonique en fonction de l’´energie et du type de trajectoires. Les trajec-toires longues sont repr´esent´ees en bleu (trait pointill´e) et les courtes en rouge (trait plein).

6.6. Conclusions et perpectives 143

Figure 6.23: Spectre harmonique de l’argon, comparaison entre le mod`ele CTMC-QUEST et l’exp´erience ( `a λ = 1830 nm et pour I = 1 × 1014 W/cm2)

6.6 Conclusions et perpectives

La position du minimum de Cooper de la section efficace totale de photoionisation de l’argon a ´et´e mesur´ee aux alentours de 48-49 eV [Marr 76,Chan 92,Samson 02]. Ce

mini-mum structurel est dˆu `a un moment de transition dipolaire entre la fonction d’onde libre

d et la fonction d’onde li´ee p de l’argon minimal pour ces valeurs d’´energie de photon. La

g´en´eration d’harmoniques d’ordre ´elev´e est le processus inverse, `a savoir la recombinaison

d’un ´electron et l’´emission d’un photon XUV. Elle est ´egalement sensible `a ce minimum

d´ependant de la structure interne des orbitales ´electroniques de l’argon. Nous avons vu

que ce dernier est d´ecal´e vers les hautes ´energie `a 53.8 eV en GHOE.

L’utilisation du HE-TOPAS pour g´en´erer des longueurs d’onde comprises entre 1700 et

2200 nm, nous donne une bonne r´esolution pour d´eterminer cette position (53.8 ± 0.7 eV)

de par le faible ´ecart entre les harmoniques et l’extension de la coupure. De plus l’´

eclaire-ment peut ˆetre minimis´e pour ne pas influencer par un champ trop fort la structure des

orbitales ´electroniques de cet atome. A l’inverse d’autres ´etudes [Minemoto 08,Farrell 11] les diff´erentes conditions exp´erimentales, intrins`eques au laser ou jouant sur l’accord de phase, que nous avons fait varier n’influencent pas la position de ce minimum. Cela est important dans le but de sonder la structure atomique ou mol´eculaire `a l’aide de la g´en´

e-ration d’harmoniques. L’influence de l’´eclairement, de la longueur d’onde de g´en´eration,

de la position du foyer et la taille du foyer ainsi que de la pression dans la cellule de g´en´eration ont fait l’objet de cette ´etude syst´ematique.

La construction d’un mod`ele th´eorique [Higuet 11] fiable r´ealis´e `a l’aide de la mod´ e-lisation des fonctions d’ondes par des ondes de diffusion prenant en compte l’effet du

potentiel coulombien, nous a permis de d´eterminer les conditions faisant varier la position

du minimum dans le spectre harmonique par rapport `a la photoionisation. Ces diff´erents

aspects trait´es par le mod`ele CTMC-QUEST permettent de reproduire parfaitement le

spectre harmonique de l’argon observ´e :

- Lors du processus de g´en´eration un axe de quantification est s´electionn´e, celui de la polarisation du laser g´en´erateur, expliquant une partie de ce d´ecalage61.

- La probabilit´e de recombinaison (le flux d’´electrons recombinant) varie en

fonction de l’´energie cin´etique de ces derniers.

- Seules les trajectoires courtes prennent part `a la construction du champ

ma-croscopique.

Un autre aspect notable de la g´en´eration d’harmoniques d’ordre ´elev´e tient au fait que le spectre collect´e, dans certaines conditions exp´erimentales, peut s’affranchir des effets

macroscopiques et traduire principalement la r´eponse de l’atome unique.

Cette premi`ere ´etape dans l’utilisation des harmoniques pour la d´etection de structure

atomique ou mol´eculaire valid´ee, nous allons discuter dans les chapitres suivants de la

possibilit´e de sonder une structure mol´eculaire (chapitre suivant) ainsi qu’une dynamique

mol´eculaire (dernier chapitre) `a l’aide de la technique ENLOS (section 5.4.2).

61. On peut faire une analogie entre une section efficace d’ionisation diff´erentielle, qui correspondrait au processus de recombinaison, alors que le spectre de photoionisation mesure les ´electrons provenant d’un angle de 4π st´eradians : une section efficace d’ionisation totale.

Chapitre 7

G´en´eration d’harmoniques d’ordre

´elev´e dans des mol´ecules chirales `a

l’aide d’un champ laser elliptique

7.1 Chiralit´e et d´etection

Une mol´ecule est chirale si elle n’est pas superposable `a son image dans un miroir. Les

mol´ecules chirales ne pr´esentent intrins`equement aucun plan ou centre de sym´etrie. Le

meilleur exemple de chiralit´e est le couple main gauche main droite, ou encore une paire

de chaussures ou de ciseaux. Une mol´ecule chirale est donc pr´esente sous deux formes,

droite et gauche. Elle poss`ede un st´er´eoisom`ere62 qui est son image dans un miroir, elles forment donc un couple o`u chacune est l’´enantiom`ere de l’autre. En laboratoire la synth`ese

sym´etrique ne permet pas de favoriser une forme par rapport `a l’autre, la proportion des

deux enantiom`eres est identique : on parle alors de m´elange rac´emique63. Ces mol´ecules

ont des effets sur la lumi`ere, on nomme dextrogyre (+) les mol´ecules chirales qui ont la

propri´et´e de faire tourner le plan de polarisation de la lumi`ere vers la droite (si

l’obser-vateur est face `a la source lumineuse) et levogyre (−) si cette rotation s’effectue vers la

gauche64. Cela s’appelle le pouvoir rotatoire ou l’activit´e optique. Une mol´ecule de la

forme droite (nomm´ee « D » du latin dexter = droite) aura un pouvoir rotatoire

stricte-ment oppos´e `a la mˆeme mol´ecule mais de la forme gauche (nomm´ee « L » du latin leavus

= gauche). Il faut noter que toutes les mol´ecules pr´esentant un carbone asym´etrique sont

chirales.

Ces mol´ecules chirales sont ´etudi´ees, de par leurs propri´et´es particuli`eres, dans plusieurs domaines scientifiques.

Du point de vue de la physique mol´eculaire, la courbe d’´energie potentielle montre

deux minima strictement identiques, un pour chaque ´enantiom`ere. Ce syst`eme permettrait

62. Les diast´er´eoisom`eres sont deux isom`eres ni superposables, ni images l’un de l’autre dans un miroir 63. La sym´etrie de parit´e pr´edit que les deux ´enantiom`eres ont la mˆeme probabilit´e d’ˆetre synth´etis´es, ce qui a ´et´e confirm´e par les travaux de Pasteur r´ealis´es `a partir de 1848.

64. C’est Jean Baptiste Biot qui fit cette d´ecouverte en 1815, ceci fut ensuite th´eoris´e par Augustin Fresnel.

donc de montrer une violation de la parit´e si ces minima, sous l’influence d’une interaction faible65, n’´etaient pas strictement identiques. L’exp´erience discut´ee dans [Darqui´e 10], se-rait la premi`ere d´emonstration sur un syst`eme mol´eculaire de cette violation de la parit´e66. Au niveau biologique, les mol´ecules - ou macromol´ecules pour les prot´eines - qui

com-posent le vivants sont homochirales, c’est `a dire qu’un seul des deux ´enantiom`eres est

pr´esent. Par exemple, le squelette de l’ADN se compose exclusivement de la forme D

du desoxyribose, alors que les prot´eines sont compos´ees d’acides amin´es qui sont

exclu-sivement L. Certains scientifiques supposent que la compr´ehension de l’homochiralit´e est

une condition pour expliquer l’origine de la vie [Bonner 95, Bonner 91]. De plus, la d´

e-couverte d’un acide amin´e ayant un exc`es enantiom´erique levogyre sur une m´et´eorite

[Cronin 97, Engel 97, Pizzarello 03, Breslow 06] attesterait que l’homochiralit´e - et donc

la vie - viendrait de l’espace. Une des pistes pour expliquer cette homochiralit´e d’origine

spatiale proviendrait de la d´ecouverte d’une source de lumi`ere polaris´ee circulairement

dans l’espace [Bailey 98] pouvant interagir pr´ef´erentiellement avec l’un des deux ´ enantio-m`eres.

En chimie, les caract´eristiques de ces mol´ecules peuvent ˆetre diff´erentes si l’´ enantio-m`ere interagit avec une syst`eme asym´etrique, mˆeme si la plupart des propri´et´es

physico-chimiques (temp´erature de fusion, de vaporisation, masse volumique, solubilit´e, niveaux

´

energ´etiques, g´eom´etrie...) sont semblables.

Ainsi on remarque que deux ´enantiom`eres peuvent avoir une odeur diff´erente67[Brenna 03],

ou alors qu’un m´edicament compos´e d’un ´enantiom`ere se transformera en poison ou sera

inactif s’il est compos´e de l’autre forme [Rouhi 04] (du fait de sa r´eactivit´e ou non avec d’autres ´enantiom`eres du corps, i.e un autre syst`eme asym´etrique). Pouvoir s´electionner un ´enantiom`ere plutˆot qu’un autre lors d’une synth`ese en laboratoire est donc une n´

eces-sit´e pour les industries chimiques ou pharmaceutiques [Rouhi 03]. Ce processus, appel´e

synth`ese asym´etrique, a d’ailleurs ´et´e r´ecompens´e par un prix Nobel de chimie en 2001

(William S. Knowles, Ryoji Noyori et K. Barry Sharpless68).

Des travaux th´eoriques, portant sur l’utilisation de sources lumineuses laser polaris´ees li-n´eairement ou circulairement, tentent de d´emontrer que l’on peut faire passer un ´ enantio-m`ere d’une forme `a l’autre (st´er´eomutation) en l’excitant puis en le d´esexcitant dans l’´etat fondamental [Marquardt 96,Marquardt 00,Shao 97]. Toutefois cela ne peut ˆetre appliqu´e `

a un m´elange rac´emique. Des sch´emas `a plusieurs niveaux ´electroniques ont ´et´e propos´es pour r´ealiser ce m´ecanisme avec une lumi`ere polaris´ee circulairement [Salam 97,Salam 98].

65. En 1956 il a ´et´e prouv´e qu’une interaction faible brise le principe de parit´e [Lee 56], prix Nobel 1957.

66. La diff´erence en ´energie entre les deux niveaux fondamentaux, sous l’effet de cette interaction faible, serait de l’ordre de 10−12 cm−1, soit 10−16 eV.

67. La (+)-limon`ene (´enantiom`ere R) est caract´eristique de l’odeur du citron alors que la (−)-limon`ene (´enantiom`ere S) est caract´eristique de l’odeur de l’orange.

68. Il s’agit d’une m´ethode de synth`ese asym´etrique permettant de briser la sym´etrie. Elle est bas´ee sur l’introduction d’un catalyseur sous la forme d’un ´enantiom`ere pur (D ou L) favorisant la production d’un produit sous la forme D ou L.

7.1. Chiralit´e et d´etection 147 Ces derniers permettent d’obtenir un l´eger exc`es enantiom´erique.

`

A partir d’un m´elange rac´emique, la photolyse par de la lumi`ere polaris´ee circulairement permet de favoriser l’un ou l’autre des ´enantiom`eres [Balavoine 74]. Ces derni`eres exp´

e-riences montrent que l’on peut influencer ces syst`emes par de la lumi`ere.

Ces mol´ecules ´etant optiquement actives, il est possible de tirer profit de leur

pou-voir rotatoire pour les diff´erencier. La solution la plus utilis´ee par les chimistes est de mesurer la polarisation en analysant le degr´e de rotation ou d’ellipticit´e du faisceau inci-dent en fonction de la longueur d’onde. ´Etant donn´e que deux ´enantiom`eres interagissent diff´eremment avec la lumi`ere polaris´ee circulairement cela m`ene `a une rotation optique (bir´efringence circulaire) et `a un dichro¨ısme circulaire (absorption diff´erente de la lumi`ere

polaris´ee gauche ou droite) caract´eristique pour chacune des deux mol´ecules en fonction

de l’´energie des photons incidents. Le dichro¨ısme circulaire est un ph´enom`ene faible

dif-ficile `a observer (diff´erence d’absorption de l’ordre de 10−5,−6), il faut donc un temps

d’acquisition long pour le d´eterminer et remonter ainsi `a l’activit´e optique. De ce fait, il

est difficile de suivre des dynamiques dans ce type de syst`eme. Une nouvelle technique,

bas´ee sur l’utilisation d’un laser femtoseconde, a ´et´e mise au point en 2009 [Rhee 09].

Elle permet de r´ealiser des ´etudes dynamiques de ces syst`emes en sondant le dichro¨ısme

circulaire vibrationnel. Ces techniques de mesures sont utilis´ees en phase solide et liquide. En phase gazeuse, du fait de la faible densit´e mol´eculaire, le dichro¨ısme circulaire est extrˆemement difficile `a d´etecter. L’´etude de la chiralit´e se fait donc par la d´etection de

photo´electrons ´emis lors de la photoionisation par un champ laser, dans les rayons X mous,

polaris´es circulairement. La th´eorie d´ecrivant la distribution angulaire des photo´electrons en fonction de l’´enantiom`ere a ´et´e publi´ee en 1976 [Ritchie 76]. La premi`ere exp´erience de d´etection de photo´electrons a ´et´e r´ealis´ee `a la fin des ann´ees 1990 [Heiser 96].

De-puis, nombre d’exp´eriences de collecte de photo´electrons par des imageurs de vecteurs

vitesses ont ´et´e r´ealis´ees pour ´etudier les mol´ecules chirales en phase gazeuse. La me-sure consiste `a analyser la distribution angulaire de photo´electrons de la mˆeme mani`ere que les ´etudes trait´ees dans la premi`ere partie de ce manuscrit. Les diff´erences obtenues

sur les param`etres des courbes d’ajustement, permettant de distinguer les ´enantiom`eres,

sont de l’ordre de quelques pour cent. Cette publication : [Nahon 06] explique de mani`ere

compl`ete et succincte les avantages de cette technique d’imagerie de photo´electrons par

mesure du dichro¨ısme circulaire. Par ailleurs un ouvrage datant de 2010 r´esume parfai-tement les diff´erentes techniques utilis´ees en phase gazeuse pour l’´etude des mol´ecules chirales [Zehnacker 10].

Le nombre de techniques permettant de sonder la chiralit´e en phase gazeuse reste

limit´e, nous allons donc voir si la g´en´eration d’harmoniques d’ordre ´elev´e peut y ˆetre

´egalement sensible. Pour cela nous avons r´ealis´e une ´etude de l’amplitude du champ

ma-croscopique g´en´er´e en fonction de l’ellipticit´e du champ harmonique de g´en´eration, dans les deux ´enantiom`eres de la fenchone. Nous avons ´egalement mesur´e l’angle de polarisation du rayonnement harmonique.

Nous savons d’ores et d´ej`a que les harmoniques sont sensibles `a la structure des orbitales atomiques grˆace `a l’´etude r´ealis´ee sur le minimum de Cooper dans l’argon. Il est d´ej`a

connu que la direction de polarisation des harmoniques est tr`es sensible `a la structure mol´eculaire [Levesque 07,Mairesse 08b,Zhou 09], qu’elle peut encoder l’interaction entre diff´erents canaux d’ionisation [Smirnova 09,Mairesse 10] et la signature d’effets multi´

elec-tronique [Zhao 07]. La question est donc de savoir si le spectre harmonique montre une

sensibilit´e `a la chiralit´e, lorsque le milieu g´en´erateur interagit avec un champ elliptique.

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