Études de processus moléculaires ultrarapides par techniques d´imagerie multiparticules – SUMMIT

Comment sont formées les orbitales moléculaires à partir des orbitales atomiques de ses constituants ou inversement comment les orbitales atomiques émergent des orbitales moléculaires quand une liaison chimique est rompue ? Ce projet tend à réaliser une contribution majeure en répondant à ces questions. Nous allons utiliser le rayonnement synchrotron pour exciter en couche interne une molécule vers un état fortement dissociatif et mesurer les électrons Auger émis pendant la dissociation pour sonder finement l’évolution de la distance internucléaire et la distribution spatiale des orbitales de l’espèce transitoire au moment de sa relaxation. Cette approche donnera une combinaison inégalée d’informations en temps (par l’intermédiaire de l’horloge interne fournie par la durée de vie), spectrale ( finne bande passante du synchrotron) et spatiale (diffraction des électrons Auger).

Le projet repose sur l’expertise mondiale des deux équipes en imagerie de coïncidence multiparticule. Alors que toutes les études expérimentales précédentes ne pouvaient détecter qu’un seul type de fragment (électrons ou ions) formé après relaxation ou se focalisaient sur une petite région de l’espace des phases, notre but est d’imager par coïncidence l’ensemble des électrons et des ions formés, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives.
Nous obtiendrons les premières images de diffraction électronique dans le référentiel moléculaire de la dissociation qui a lieue. En décalant en fréquence l’énergie d’excitation, nous gagnerons en résolution temporelle. La dissociation étant beaucoup plus rapide que la rotation, la mesure de la direction des fragments ioniques émis fournira l’orientation de la molécule au moment de l’absorption du photon. L’électron émis pendant la relaxation électronique sera diffracté par le potentiel moléculaire. Les informations sur les distances internucléaires au moment de la relaxation ainsi que les densités électroniques seront obtenues avec les distributions angulaires des électrons dans le référentiel moléculaire. La molécule s’auto illumine pendant la relaxation et la détection en coïncidence des électrons et des ions permet la mesure de l’“auto illumination” de la molécule se dissociant.
Le partenaire français du consortium est pionnier dans ces processus ultrarapides. Le partenaire allemand est pionnier dans la technique d’imagerie multi particule (COLTRIMS). Cette collaboration permettra l’utilisation de la technique la plus aboutie pour l’obtention simultanée des informations spatiales et temporelles véhiculées par les fragments, leurs angles relatifs et leur énergie.

Nos expériences seront réalisées à deux sources de rayonnement synchrotron complémentaires : à BESSY (Berlin) pour la basse énergie et à SOLEIL (Saclay) pour la haute énergie. Une expérience exploratoire à BESSY au seuil L du chlore de la molécule HCl a déjà permis se tester la validité de notre approche. La molécule HCl est un cas d’école et sera également étudiée au seuil K du chlore. Comparée au seuil L du chlore ; plusieurs canaux de relaxation sont ouverts et donnera ainsi lieue à une dynamique encore plus riche. La connaissance acquise sera mise à profit pour l’étude de la dissociation ultrarapide de la molécule H2S aux seuils L et K du souffre. Nous étudierons également la dissociation ultrarapide de la molécule O2 pour laquelle l’effet Doppler sur les électrons Auger sera observé. Ce dernier point repose sur des résultats sans coïncidence obtenus par le partenaire français et par une expérience exploratoire à BESSY jointe des deux partenaires. Nous exciterons un électron 1s vers une orbitale anliante. Pendant la dissociation, un premier électron Auger rapide est éjecté suivi d’un deuxième électron Auger lent atomique (0.5 eV). Les deux électrons et la direction de l’axe moléculaire seront mesurés en coïncidence. Le décalage Doppler de l’électron lent révèlera comment et à quel moment la symétrie est rompue pendant la fragmentation.