Spectroscopie en cavité par peigne de fréquence pour l'astrophysique – CECoSA

Les écoulements supersoniques uniformes permettent de mener à bien ces études cinétiques car ils permettent le refroidissement effectif des échantillons gazeux à des températures allant de 13 à 150 K. Cependant, sonder les processus moléculaires ayant lieu dans ces écoulements nécessite une technique de détection rapide, quantitative, sensible et multi-espèce. Le projet a pour objectif de combiner pour la première fois peignes optiques dans le moyen infrarouge, cavités optiques, écoulements supersoniques et spectroscopie à transformée de Fourier ultra-rapide, ce qui rendra possible de suivre l’évolution de réactions chimiques avec la sensibilité et la rapidité nécessaires.

Ce projet jeune chercheur a démarré en Mars 2020 avec une salle de laboratoire vide, que nous avons commencé à installer à la fin du premier confinement dû à l’épidémie du COVID-19. Le laboratoire a été entièrement rénové, la table optique originale a été remplacée par une table à l’état de l’art. L’équipement a ensuite été commandé et la pièce maitresse, le laser femtoseconde, est arrivé au laboratoire en Mars 2021. Le développement scientifique pouvait alors commencer et comporte cinq étapes : 1 – développement d’un spectromètre à transformée de Fourier résolu en temps, 2 – conversion du peigne de fréquence vers 3µm grâce à oscillateur paramétrique optique, 3 – mise en place d’une cavité optique asservie en longueur dans une chambre d’écoulement supersonique, 4 – diagnostic d’une réaction radical-molécule à température ambiante, 5 – diagnostic d’une réaction à basse température (dans un écoulement supersonique).
Le premier semestre suivant l’arrivée du laser a été dédiée à la mise en place de la première étape. Romain Dubroeucq, doctorant payé par un contrat doctoral de l’université Rennes 1, a rejoint le groupe en Octobre 2020, afin commencer le projet. Ce travail a conduit au développement d’une nouvelle technique, permettant de réaliser la spectroscopie par temps de déclin en utilisant une source à peigne de fréquence. Un groupe de premier plan avait proposé une solution poursuivant cet objectif, sans parvenir à atteindre une sensibilité suffisante pour rendre l’approche viable [M.J. Thorpe, et al., Science, 311(5767), 1595 (2006)]. Les premiers résultats obtenus avec cette approche sont sont en train d’être mis en forme pour être soumis à Optics Letters (facteur d’impact = 3.589), pour la première publication du projet.

Le projet ANR CECoSA a permis d’établir plusieurs nouvelles collaborations avec le groupe de Fabien Goulay à l’université de Virginie Occidentale (obtention d’une bourse Jefferson de l’ambassade de France aux Etats-Unis) ainsi que le groupe de Guillaume Genoud à l’institut VTT à Helsinki (programme Maupertuis de l’ambassade de France en Finlande). Enfin et surtout, le projet CECoSA a permis à Rennes d’accueillir les Journées de Spectroscopie Moléculaire 2021. Ce congrès francophone regroupe essentiellement les groupes français mais aussi suisses et belges à Rennes pour discuter des nouveaux développements en cours à l’IPR, notamment ceux basés sur les peignes de fréquence.

Les étapes suivantes du projet se concentreront sur le développement du spectromètre en écoulements supersoniques uniformes et sur le développement de la source à peigne de fréquence émettant dans le moyen infrarouge. Pour mener à bien ces nombreux objectifs, Solène Perot commencera sa thèse à l'IPR le 1er Octobre 2021, payée par le projet CECoSA.

Conférences internationales:
1. Poster à la conférence CLEO-EQEC 2021 (online, 5000 participants)
2. Présentation orale à la conférence (OSA, online, 500 participants) ‘Sensing and optical sensors 2021’
3. Poster à la conférence European Optical Society Annual Meeting 2021 (500 participants, Rome, Italie)

Conférences nationales:
1. Poster aux Journées de Spectroscopie Moléculaire 2021, Rennes
2. Poster à la conférence Optique 2021 (Société française d’optique), Dijon

Le projet CECoSA a pour objectif d’utiliser la spectroscopie par peigne de fréquences optiques dans le moyen infrarouge combiné à la technique CRESU (Cinétique Réactionnelle en Ecoulements Supersoniques Uniformes) afin de réaliser le diagnostic résolu en temps de réactions basse température impliquant des radicaux.
Les radicaux sont primordiaux en astrochimie car ils sont notamment la pierre angulaire de la formation d’espèces complexes telles que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) ou les molécules organiques complexes (COM), dont la présence dans le milieu interstellaire a été observée et dont les processus de formation sont encore mal connus. La compréhension de la cinétique et des voies de sortie de ces processus fondamentaux est vitale pour la modélisation de la physico-chimie des atmosphères planétaires et des nuages interstellaires. Elle requière des études de laboratoire approfondies aux températures correspondant à celles des atmosphères extraterrestres, comme celle de Titan (70-150 K), ou des nuages interstellaires (10-100 K). En particulier, les réactions entre radicaux jouent un rôle prédominant à basse température puisque cette interaction peut engendrer de multiples surfaces d’énergie potentielle (PES) corrélées adiabatiquement avec les réactants, donc plusieurs voies de sortie. Afin de les quantifier, il est nécessaire de détecter la formation de tous les produits.
La technique CRESU est la technique de choix pour mener à bien ces études cinétiques car elle permet de sonder des échantillons gazeux à des températures allant de 13 à 150 K. Cependant, sonder les processus moléculaires ayant lieu dans ces écoulements nécessite une technique de détection rapide, quantitative, sensible et multi-espèce. La spectroscopie par peigne de fréquences optiques utilisée comme diagnostic en CRESU offre tous ces avantages en une seule mesure, et ouvre la voie à la détection simultanée des taux de consommation des réactifs, des taux de formation des différents produits, ainsi que de possible complexes intermédiaires.
Le projet CECoSA réalisera d’ambitieux développements expérimentaux, combinant pour la première fois peignes optiques dans le moyen infrarouge, cavités optiques et spectroscopie à transformée de Fourier ultra-rapide, ce qui rendra possible de suivre l’évolution de réactions chimiques avec la sensibilité et la rapidité nécessaires. Cet instrument sera le premier outil de diagnostic basé sur des peignes de fréquence opérant en écoulements supersoniques uniformes. Il sera employé pour répondre à des questions scientifiques clés dans le domaine de l’astrochimie. Il ciblera plus particulièrement les réactions radical-radical, qui représentent un défi expérimental important. L’expertise de la porteuse du projet réside dans la conception de spectromètres basés sur des peignes de fréquences. Elle a développé deux approches complémentaires : le spectromètre Vernier en filtrage continu qui est robuste et compact, durant sa thèse, et le spectromètre à transformée de Fourier à résolution sous-nominale pendant ses travaux postdoctoraux, qui dépasse la limitation de résolution traditionnelle des interféromètres mécaniques grâce aux propriétés de cohérence propres aux peignes de fréquences. Elle a l’expertise nécessaire pour construire le système et réaliser les expériences proposées. Elle bénéficiera du soutien du groupe d’Astrophysique de Laboratoire de l’Institut de Physique de Rennes, internationalement reconnu pour ses études en CRESU, concernant la mise en place expérimentale et l’analyse des résultats, ce qui garantit le succès du projet. Le projet CECoSA bénéficiera et complétera deux autres approches en développement dans le groupe ayant pour objectif la détection des produits de réaction, les projets CRESUSOL et CRESUCHIRP, créant ainsi une forte synergie au sein du groupe, et avec le réseau de recherche international QUADMARTS piloté par le groupe de Rennes.