Production, relaxation et diffusion des electrons de basse energie dans la matière condensée – BIRD

Les électrons de basses énergies (EBE), quelques eV, sont abondamment produits lors de l’irradiation de la matière par les rayonnements ionisants, sans que l’on connaisse précisément les mécanismes de leur formation et de leur relaxation dans l’environnement.
Nous étudierons par une approche couplée expérience/théorie la photo-ionisation de petites molécules (diazabicyclo[2.2 ;2]-octane), notamment d’intérêt biologique (amino acides, nucléobases de l’ADN), déposées sur des agrégats nanométriques. L’objectif est de comprendre ces phénomènes à l’échelle moléculaire sur des échelles de temps allant de la femto- à la picoseconde. Expérimentalement, le Velocity Map Imaging (P3, ISMO, Orsay) donnera accès à la distribution en énergies et en angles des photoélectrons (DEAP) réémis par les agrégats, permettant de caractériser les processus de diffusion élastiques et inélastiques. Afin de comprendre le rôle de l’intensité des interactions entre le milieu avec les EBE, différents environnements de diffusion seront testés (agrégats atomiques d’Ar, moléculaires de H2O, NH3, CO2). Ces données expérimentales constitueront un banc d’essai précieux pour valider les nouvelles approches de simulation. Pour s’attaquer au défi de la simulation de la dynamique de relaxation des photoélectrons au seins des agrégats à l’échelle nanométrique, nous développerons des algorithmes inédits reposant sur la DFT sans orbitales (OF-DFT). Nous couplerons cette approche à la DFT Kohn-Sham (P1, ICP, Orsay et P4, IDRIS, Orsay), à la DFTB (approche liaisons fortes de la DFT, P2, LCPQ, Toulouse) et à un potentiel MM (mécanique moléculaire) polarisable (P1, P2 et P4). Ces trois développements méthodologiques permettront des descriptions complémentaires : une description de meilleure qualité sur quelques trajectoires avec l’approche OF-DFT, des simulations exhaustives nécessaires à l’interprétation des expériences avec des méthodes plus efficaces mais mois précises (OF-DFTB et OF-MM). Une fois validés, les nouveaux algorithmes seront mis à disposition de la communauté scientifique dans les codes deMon2k et deMonNano. Les systèmes étudiés expérimentalement seront simulés afin de prédire leurs structures et leurs dynamiques. Nous simulerons la photo-ionisation en DFT dépendant du temps, et les phases de relaxation et diffusion seront simulées avec les nouveaux algorithmes. Les DEAP obtenus expérimentalement et théoriquement seront comparés, ce qui devrait permettre une compréhension avancée de l’évolution des systèmes.
Nous fournirons à la communauté des temps caractéristiques de diffusion des électrons ainsi que des libres parcours moyens pour les systèmes étudiés pouvant être utilisés, par exemple, comme paramètres dans des codes de diffusion de type Monte Carlo. Grâce à BIRD nous disposerons d’outils uniques pour caractériser l’impact de la diffusion des EBE dans des systèmes moléculaires complexes dans des milieux biologiques (lésions de l’ADN ou d’autres biomolécules), astrochimiques (mécanismes de formation de molécules dans le milieu interstellaires ou dans les atmosphères/ionosphères planétaires) ou mis en jeu dans les industries spatiales et nucléaires.