CE31 - Physique subatomique et astrophysique

Signatures infrarouges du C60 et de ses dérivés en phase gazeuse – FULLDIBS

Signatures infrarouges du C60 et des ses dérivés dans la phase gazeuse

La détection récente dans le milieu interstellaire du fullerène C60 sous sa forme neutre a formidablement relancé l’implication des fullerènes comme porteurs potentiels des mystérieuses bandes interstellaires diffuses (DIBs). En 2015, quatre DIBs du proche infrarouge (IR) ont été attribuées sans ambiguïté au cation C60+, confirmant de belle manière l’implication des fullerènes. Le projet se propose de produire en laboratoire les spectres IR du C60 en phase gazeuse et de les comparer aux DIBs.

Fullerènes et bandes interstellaires diffuses

Les porteurs des bandes interstellaires diffuses (DIBs suivant l’acronyme anglais) suscitent beaucoup d’interrogation depuis leur découverte par l’astronome Marie Hea Heger en 1922. Les DIBs regroupent environ 500 bandes d’absorption observées dans le visible mais également dans le proche infrarouge et dans l’ultraviolet. Leur présence a été confirmée dans l’ensemble du milieu interstellaire de la Voie Lactée mais également dans d’autres galaxies. Les DIBs sont trop structurées pour être les signatures de particules solides, ce sont des porteurs moléculaires qui constituent l’hypothèse la plus plausible. Les deux grandes familles de molécules que sont les hydrocarbures aromatiques polycycliques et les fullerènes figurent parmi les candidates les plus sérieuses, ce qui a d’ailleurs été confirmé en 2015 par l’attribution non ambigüe de quatre DIBs au cation C60+. Mais rien ne permet d’écarter le C60 neutre de la liste des candidats potentiels car il n’existe toujours pas à ce jour de spectres infrarouges de référence de cette molécule en phase gazeuse, à des températures voisines du milieu interstellaire, i.e. entre quelques kelvins et quelques dizaines de kelvins, typiquement. Ce projet a pour ambition de produire de tels spectres de référence en laboratoire. Cette entreprise doit pour cela surmonter un certain nombre de difficultés expérimentales. L’une de ces difficultés est liée à la production contrôlée de vapeur de C60 qui se présente sous la forme d’une poudre. La vapeur produite à 1000 K doit ensuite être refroidie à quelques dizaines de kelvins et sondée par spectroscopie infrarouge avant qu’elle ne recondense.

La mise en détente supersonique d’un gaz est une technique éprouvée pour abaisser sa température à quelques kelvins. En général, le gaz s’échappe d’un orifice en forme de fente d’un réservoir haute pression (et haute température dans le cas du C60) vers une chambre de détente maintenue à basse pression. Cette forme en fente particulière permet d’augmenter la longueur du chemin d’absorption du laser infrarouge à travers le jet de gaz froid et améliore ainsi la sensibilité de la détection. Cette approche est cependant inopérante pour une molécule aussi grosse que le C60 car le nombre de collisions moléculaires dans le jet de gaz s’avère trop faible pour relaxer efficacement la vibration de la molécule. La phase de chauffage de l’échantillon de C60 est en effet responsable du peuplement d’une myriade de niveaux vibrationnels qui répartissent l’intensité du spectre sur un nombre gigantesque de bandes d’absorption, rendant ainsi toute détection impossible. Nous avons développé une nouvelle approche qui repose sur l’utilisation d’une tuyère de Laval qui produit un écoulement supersonique froid de haute densité et non divergent en sortie de tuyère. Ce procédé permet de faire subir environ 40 millions de collisions à chaque molécule de C60 contre quelques milliers en jet de type fente. Nous espérons ainsi relaxer efficacement la vibration de la molécule et peupler significativement son état vibrationnel fondamental. Il devient dès lors envisageable de détecter les bandes d’absorption qui partent de cet état vibrationnel fondamental (bandes froides). Un spectromètre ultrasensible de type cavity ringdown spectroscopy (CRDS) basé sur une cavité optique de haute finesse permet de sonder le jet de gaz dans l’infrarouge proche. Enfin, une tuyère de Laval planaire est en cours de développement afin d’accroître encore la sensibilité expérimentale en augmentant la longueur d’interaction entre faisceau laser et jet de gaz.

Une tuyère de Laval hypersonique planaire est sur le point d’être construite. Ce sera la première fois qu’une tuyère de ce type sera utilisée à des fins de production de données spectroscopiques (possibilité de brevet).
Un spectromètre ultrasensible de type CRDS a été fabriqué pour détecter l’un des modes fondamentaux du C60 dans l’infrarouge moyen (8,47 µm). Ce spectromètre repose sur l’utilisation d’un laser à cascade quantique. A notre connaissance, il s’agit du premier couplage d’un laser de ce type avec une cavité de haute finesse.

Les données spectroscopiques produites à partir du fullerène C60 dans le domaine de l’infrarouge proche seront systématiquement comparés aux DIBs recensées dans cette gamme spectrale, ce qui permettra d’infirmer ou de confirmer le rôle du C60 comme porteur potentiel de certaines DIBs.
D’autres fullerènes pourront également être étudiés comme le C70, également détecté dans l’infrarouge moyen dans plusieurs environnements astrophysiques.

Low Fidelity Approach for Contoured Nozzle Design
A. Jraisheh, E. Dudás, N. Suas-David, R. Georges, V. Kulkarni, Journal of Spacecrafts and Rockets AIAA, published online 18 Dec 2022.
doi.org/10.2514/1.A35381

La détection récente dans le milieu interstellaire du fullerène C60 sous sa forme neutre a formidablement relancé l’implication des fullerènes comme porteurs potentiels des mystérieuses bandes interstellaires diffuses (DIBs). En 2015, quatre DIBs du proche infrarouge ont été attribuées au cation C60+, confirmant de belle manière l’implication des fullerènes. Ce projet se propose de produire en laboratoire les spectres du C60 et du C70 en phase gazeuse, de manière systématique, du moyen infrarouge au visible. Le projet FULLDIBS s’appuie sur des écoulements supersoniques uniformes de haute densité et de très basse température capables de relaxer les molécules sur leur état vibrationnel fondamental. Ces écoulements basses températures seront sondés à l’aide des techniques spectroscopiques ultrasensibles les plus modernes basées sur des cavités optiques de haute finesse. Les signatures spectrales produites seront systématiquement comparées aux DIBs du milieu interstellaire.

Coordinateur du projet

Monsieur Robert Georges (INSTITUT DE PHYSIQUE DE RENNES)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IPR INSTITUT DE PHYSIQUE DE RENNES
LIPHY Laboratoire Interdisciplinaire de Physique

Aide de l'ANR 459 969 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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