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En dehors du cas de l’hydrogène, certes très utile pour vérifier la validité de la méthode des

B-splines mais de peu d’intérêt dans le contexte de la filamentation, nous nous intéresserons à

des gaz monoatomiques tels l’argon et le krypton. Dans le cadre des simulations numériques,

ceux-ci seront alors modélisés grâce à des pseudo-potentiels, chargés de rendre compte des

ef-fets de cœur dûs aux électrons remplissant les couches internes.

Dans le cas des systèmes multi-électroniques, tels que ces deux gaz, nous nous placerons

dans l’approximation dite S.A.E., pourSingle-ActiveElectron [47]. Celle-ci considère qu’un seul

électron est susceptible d’être excité ou ionisé, les autres étant "gelés". En effet, prendre en

compte tous les électrons de ces systèmes, ainsi que toutes les corrélations possibles entre eux,

requerrait d’avoir recours à des simulations extrêmement lourdes. Les formules de ces

pseudo-potentiels (V

Ar

pour l’argon,V

Kr

pour le krypton) peuvent être trouvées enAnnexeG.

4.3.1 Etats de cœur

En e rg ie (e V) l=0 l=1 l=2 -14000 -12000 -10000 -8000 -4000 -6000 -2000 -100 -15 -10 -5 0 5 10 15

F

IGURE

1.26: Energie des états du

kryp-ton, évalués grâce àV

Kr

.

Les pseudo-potentielsV

Ar

(r) etV

Kr

(r) renvoient

des valeurs d’énergies et de fonctions propres tout à

fait acceptables, permettant de bien modéliser le gaz

monoatomique correspondant. Ils présentent

cepen-dant une anomalie : des états de cœur, c’est-à-dire

des états dont l’énergie est inférieure à celle (nulle)

de l’état fondamental, subsistent.

Dans le cas du krypton, et pour une boîte

numé-rique constituée de 300 splines d’ordre 7 discrétisant

un intervalle de 40 u.a., ceux-ci sont représentés par

les losanges rouges sur la fig.1.26. Le carré noir (resp.

les ronds bleus) représente l’état fondamental (resp.

les quelques états excités décrits par la boîte

numé-rique). La boîte numérique est volontairement

choi-sie petite, pour faire apparaître le plus d’états de cœur

possibles : en effet, ceux-ci possédant une énergie

en-core plus négative que le fondamental, ils sont donc

encore plus localisés près du noyau que les autres

états.

Pour distinguer l’état fondamental des états de

cœur présents pourl=1 (i.e. pour les étatsp), il suffit

de connaître les écarts d’énergie approximatifs entre

le fondamental et quelques états liés : on peut alors

facilement trouver l’état fondamental en identifiant

lequel des états p permet de faire le mieux coller la structure atomique renvoyée par les

B-splines à la réalité.

4.3.2 Suppression des états de cœur, première étape

Censés être remplis, ces états de cœur sont donc pourtant susceptibles de participer

acti-vement à l’évolution dynamique du système durant la simulation, et ainsi rendre la pertinence

de cette-dernière plus que discutable. Pour surmonter cette difficulté, Muller [48] a établi un

protocole, illustré sur la figure1.27dans le cas deV

Kr

, permettant d’éliminer (la plupart de) ces

états de cœur : observant que les fonctions d’onde associées aux états de cœur, qu’il souhaitait

éliminer, partageaient un nœud commun avec quelques fonctions d’onde d’états liés localisés

principalement proche du noyau, il décida de fixer la borne inférieure de l’intervalle des

posi-tionsr

0

en ce nœud. Les fonctions d’ondes renvoyées par la méthode des splines s’annulant aux

extrémités de l’intervalle défini, les états de cœur n’étaient alors plus décrits (comme on peut

le voir grâce au rectangle grisé dans l’encart de la figure1.27), tandis qu’un impact négligeable

avait lieu sur les états liés les plus proches du noyau. L’extension spatiale des fonctions d’onde

des états liés de plus haute énergie faisait qu’elles demeuraient, pour leur part, inchangées.

0 5 10 15 20 25 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Ψc1 Ψc2 Ψc3 Ψc4 Ψ5s 0 0.6 1. .8

F

o

n

ct

io

n

s

d

’o

n

d

e

r (u.a.)

0

1

2

3

4

5

-1

-2

0 5 10 15 20 25

0 0.6 1.2 1.8

U

c4

U

5s

U

c3

U

c2

U

c1

F

IGURE

1.27: Procédure pour l’élimination des états de cœur (notés cn, n = 1 à 4) renvoyés

parmi les états s grâce àV

Kr

: un nœud commun à plusieurs fonctions d’onde est repéré en

r=0.615 u.a. (rond noir). Fixerr

0

à cette valeur élimine toutes les fonctions d’onde

majoritaire-ment localisées entre 0 etr

0

(partie foncée de l’encart). La fonction d’onde de l’état 5sn’est pas

perturbée par ce choix der

0

, et est donc seule à subsister avec celle de l’étatc4.

Il appliqua cette procédure au cas deV

Ar

, décrivant la structure atomique de l’Argon. Au

moment de travailler dans le Krypton, nous avons nous-mêmes utilisé cette technique au sujet

deV

Kr

(cf figure1.27). Les pseudo-potentielsV

Ar

(r) etV

Kr

(r) ont ainsi pu être utilisés dans toutes

les simulations numériques d’E.S.D.T. des Chapitres 2 et 3, grâce aux valeurs der

0

suivantes :

V

Ar

=⇒ r

0

=0.5 u.a. (1.117)

4.3.3 Suppression des états de cœur, deuxième étape

Cependant, même après avoir effectué ce traitement il demeure malgré tout encore un état

de cœur, renvoyé parmi les étatsl=0, en l’occurrence l’état notéc4 sur la figure1.27), dont on

peut voir que la fonction d’onde n’est pas très perturbée par le fait de fixerr

0

=0.615 u.a.. Situé

à 12.3 eV (resp. 15.2 eV) en-dessous du fondamental dans le cas du Krypton (resp. de l’Argon), il

a été vérifié qu’il n’agissait aucunement au cours de nos études concernant l’influence des

har-moniques sur le processus d’ionisation (Chapitres 2 et 3). Néanmoins, au moment de traiter la

filamentation résonante (Chapitre 4), une résonance à trois photons (àλ

c

) entre le fondamental

et cet état de cœur avait lieu sur la plage de longueurs d’onde investiguées, à la fois dans le cas

de l’Argon (λ

c

=244.7 nm) et du Krypton (λ

c

=302.4 nm). Cette résonance avait une influence

aussi importante qu’irréaliste sur les résultats alors obtenus. Il nous a donc fallu empêcher toute

transition vers cet état de cœur. La solution qui a été envisagée consiste simplement à

suppri-mer ce dernier état de cœur. Pour ce faire, nous avons ajouté une correction àV

Ar

etV

Kr

, portant

uniquement sur les étatss, l’état de cœur se trouvant parmi eux. Les pseudo-potentiels alors

ob-tenus sont nommésV

Ar,m

etV

Kr,m

("m" pour "modifié") et ont été utilisés pour les simulations

d’E.S.D.T. présentées dans le Chapitre 4, avecr

0

toujours défini selon (1.117) et (1.118). De plus,

ces pseudo-potentiels dépendent du moment angulaire, et à ce titre la résolution de l’E.S.D.T.

doit être effectuée dans la jauge des longueurs. Les formules associées à cette correction, pour

chacun des deux gaz, peuvent également être trouvées enAnnexeG.

4.3.4 Comparaison E.S.D.T./réalité

Précisons à ce stade que la méthode des splines ne renvoie qu’un seul état par paire de

nombres quantiques (n,l), ce qui ne représente pas la réalité de la situation (même pour le

cas analytique de l’hydrogène). En effet, la définition d’un état quantique est effectuée par la

donnée de son moment cinétique total J résultant du couplageLS, en plus de ses nombres

quantiquesn etl. Plusieurs valeurs peuvent être prises par J : c’est la structure fine. C’est de

cette multiplicité des états de mêmes nombres quantiquesnetl dont ne rend pas compte notre

méthode de résolution. On peut constater la limitation de cette dernière sur la figure.1.28,

per-mettant de comparer les énergies des états du Krypton renvoyés grâce au pseudo-potentielV

Kr

,

en rouge, avec les "vrais" états [49], en noir. On se limite pour cette illustration au premier état

excité pour chaqueltel que 0≤l≤3 (i.e., dans le cas du Krypton, les états 5s, 5p, 4det 4f).

De fait, cette méthode échouera donc à rendre compte quantitativement de l’effet étudié

en expérience. On montrera toutefois par la suite, dans le cas de la filamentation résonante par

exemple, que le résultat qualitatif obtenu sera tout à fait probant.

En e rg ie (e V) 13 12 11 10 5s 5p 4d 4f Etats liés

F

IGURE

1.28: Comparaison entre les états 5s, 5p, 4d et 4f du Krypton, renvoyés par la méthode

des splines (en rouge), avec la totalité des états existants, en noir.

Nous venons de détailler le fonctionnement de la méthode des splines, et sa pertinence

lors-qu’elle est appliquée au calcul de la structure atomique a été démontrée. Notons que lors d’une

simulation, cette étape du calcul de la structure atomique est systématiquement effectuée. En

effet, c’est au cours de celle-ci que le calcul des énergies et des états propres du système

consi-déré (utiles pour le traitement des résultats) est effectué, ainsi que celui de la matrice de

chan-gement de base, qui est évidemment d’une importance primordiale. Cependant, cette étape

ne prend pas plus de quelques minutes à être franchie

18

. La partie la plus longue concerne la

résolution de l’interaction entre le champ électrique et le système atomique, que nous allons

maintenant aborder.