Imagerie Moléculaire par effet tunnel et recollision en champ fort – MISFITS

Afin de mesurer des dynamiques moléculaires complexes dans des molécules polyatomiques, MISFITS utilisera les méthodes suivantes:
amélioration de la résolution temporelle pour mesurer des dynamiques plus rapides, calculs de l'émission harmonique par des
méthodes semi-classiques tenant compte de dynamiques réactionnelles complexes, et surtout investigation théorique et
expérimentale de l'influence du champ laser intense sur la structure moléculaire à l'échelle femtoseconde et attoseconde.

Résultats principaux:
- Caractérisation complète de l'influence d'une résonance dans la génération d'harmoniques : Ferré et al., Nature Communications 2015
- Production d'impulsions lumineuses polarisées circulairement dans l'extrême ultraviolet : Ferré et al., Nature Photonics 2015.
- Nouvelle technique de mesure de l'amplitude et la phase des harmoniques en utilisant l'excitation moléculaire comme porte optique : FROMAGE (Ferré et al. PRL 2016)

La prochaine étape est l'étude de l'effet de l'oscillation d'un champ laser intense sur une molécule polyatomique par spectroscopie d'absorption transitoire attoseconde.

1. A table-top ultrashort light source in the extreme-ultraviolet for time-resolved circular dichroism experiments
A. Ferré, C. Handschin, M. Dumergue, F. Burgy, A. Comby, D. Descamps, B. Fabre, G. A. Garcia, R. Géneaux, L. Merceron, E. Mével, L. Nahon, S. Petit, D. Staedter, S. Weber, T. Ruchon, V. Blanchet, and Y. Mairesse, Nature Photonics 9, 93 (2015)

2. Transverse Electromagnetic Mode Conversion for High-Harmonic Self-Probing Spectroscopy
Antoine Camper, Amélie Ferré, Nan Lin, Emmanouil Skantzakis, David Staedter, Elizabeth English, Bastian Manschwetus, Frédéric Burgy, Stéphane Petit, Dominique Descamps, Thierry Auguste, Olivier Gobert, Bertrand Carré, Pascal Salières, Yann Mairesse and Thierry Ruchon, Photonics 2, 184 (2015)

3. Multi-channel Electronic and Vibrational Dynamics in Polyatomic Resonant High-order Harmonic Generation,
A. Ferré, A. E. Boguslavskiy, M. Dagan, V. Blanchet, B. Bruner, F. Burgy, A. Camper, D. Descamps, B. Fabre, N. Fedorov, J. Gaudin, G. Geo ffroy, J. Mikosch, S. Patchkovskii, S. Petit, T. Ruchon, H. Soifer, D. Staedter, I. Wilkinson, A. Stolow, N. Dudovich, and Y. Mairesse, Nature Communications 6, 5952 (2015)

4. Probing molecular chirality on a sub-femtosecond timescale,
R. Cireasa, A.E. Boguslavskiy, B. Pons, M.C.H. Wong, D. Descamps, S. Petit, H. Ruf, N. Thiré, A. Ferré, J. Suarez, J. Higuet, B.E. Schmidt, A.F. Alharbi, F. Légaré, V. Blanchet, B. Fabre, S. Patchkovskii, O. Smirnova, Y. Mairesse and V.R. Bhardwaj, Nature Physics 11, 654 (2015)

5. Combined High-harmonic Interferometries for Vectorial Spectroscopy,
A. Camper, A. Ferré, V. Blanchet, F. Burgy, D. Descamps, S. Petit, T. Ruchon and Y. Mairesse, Optics Letters 40 5387 (2015)

6. Two-dimensional Frequency Resolved Opto-Molecular Gating of High-order Harmonic Generation,
A. Ferré, H. Soifer, O. Pedatzur, C. Bourassin-Bouchet, B. Bruner, R. Canonge, F. Catoire, D. Descamps, B. Fabre, E. Mével, S. Petit, N. Dudovich, Y. Mairesse, Physical Review Letters 116, 053002 (2016)

Une impulsion laser femtoseconde intense focalisée dans un jet de gaz génère des harmoniques d'ordre élevé correspondant aux multiples impairs de sa fréquence fondamentale. La spectroscopie par génération d’harmoniques (SGH) consiste à mesurer les propriétés de cette émission lumineuse (polarisation, amplitude, phase...) pour obtenir des informations sur la structure et les dynamiques du milieu générateur. Il est alors possible de caractériser des processus photochimiques initiés par une impulsion pompe ou d'extraire les dynamiques nucléaire ou électronique attosecondes initiées par le champ laser de la sonde. Du fait de la grande variété de processus accessibles, la SGH est une nouvelle technique attractive, qui, après avoir été restreinte à des molécules linéaires simples, est à présent étendue à des systèmes complexes. Ceci engendre de nouveaux défis, tant expérimentaux que théoriques, tous deux parties intégrantes du présent projet MISFITS.
La première difficulté en spectroscopie harmonique consiste à interpréter les données expérimentales, car les signaux sont si sensibles qu'ils nécessitent le développement de modèles théoriques fiables et proches des conditions expérimentales. Dans MISFITS nous étendrons le modèle CTMC-QUEST (Classical Trajectory Monte Carlo and Quantum Electron Scattering Theory), initialement développé pour des atomes, à des systèmes moléculaires complexes. Ceci nécessite une description précise du potentiel moléculaire et du processus de recombinaison en terme d'ondes de diffusion. Pour une description complète des expériences pompe-sonde en SGH, nous combinerons molCTMC-QUEST avec des calculs de dynamiques moléculaires.
La SGH est basée sur l'utilisation d'une impulsion sonde intense, qui peut dès lors engendrer des perturbations vibrationnelles et électroniques. Afin d'extraire les dynamiques nucléaires, nous procéderons à un encodage spectral (spectrogramme) ou spatial de l'évolution temporelle du signal harmonique au cours de l'impulsion. Par ailleurs, le champ laser de l'impulsion sonde peut polariser les molécules, déplacer les niveaux (effet Stark) et produire des dynamiques électroniques non adiabatiques. Quantifier de tels effets est en soi un défi que nous relèverons en réalisant la première expérience d'absorption transitoire XUV attoseconde sur un système moléculaire: la réponse instantanée de la molécule au champ laser intense sera sondée par une impulsion XUV attoseconde unique. En variant l'amplitude du champ électrique de l’impulsion laser nous déterminerons la limite au-delà de laquelle l'absorption des photons XUV est modifiée significativement. Les processus d'absorption et d'émission d'un photon ultra-violet étant fortement liés, nous pourrons ainsi déterminer ce même seuil pour la SGH. Enfin, nous accéderons aux dynamiques électroniques non adiabatiques en variant le délai entre le champ laser et l'impulsion attoseconde.
Après avoir complètement caractérisé et modélisé la spectroscopie harmonique dans des systèmes aux dynamiques simples, nous l'utiliserons pour résoudre des dynamiques moléculaires encore jamais mesurées, en particulier en présence de couplages vibroniques. Les molécules possèdant des électrons pi jouent un rôle essentiel en photochimie et photophysique en raison de leurs propriétés conductrices. Nous étudierons des hydrocarbones aromatiques polycycliques (PAHs), qui représentent 10 à 20 % du carbone de l'univers et sont omniprésents dans la chimie des flammes et des combustibles. Nous nous focaliserons également sur la photoréactivité des azotures, avec la formation du radical cyclique N3. Enfin, nous étudierons les effets multiélectroniques dans un organosuflure pi hétérocyclique, le TTF.
Grâce à ces différents développements expérimentaux et théoriques, MISFITS ouvrira la voie à l'étude systématique par SGH de processus complexes et ultrarapides dans des molécules polyatomiques avec prise en compte des effets du champ fort associé à l’impulsion sonde.