Méthodes de spectroscopie moléculaire théoriques et expérimentales pour des conditions extrêmes : étude approfondie des signatures spectrales de petits hydrocarbures et radicaux – TEMMEX

Le projet TEMMEX PRCI est proposé par un réseau cohérent et équilibré de trois laboratoires français et de deux laboratoires russes dotés d'une expertise internationalement reconnue dans des domaines complémentaires de la spectroscopie moléculaire. Il vise à approfondir les recherches sur les structures électroniques, les propriétés radiatives et les signatures spectrales à haute résolution des petits hydrocarbures (HC) et de leurs radicaux, qui constituent l'une des familles moléculaires les plus importantes {CnHm} pour l'atmosphère et l'astrophysique, les sciences et technologies de l'environnement. Le diagnostic optique fournit un outil non invasif de choix pour la télédétection et l’analyse des milieux gazeux dans divers environnements. Cependant, la plupart des données spectrales à haute résolution disponibles concerne des espèces semi-rigides stables à l’équilibre thermodynamique. Le projet TEMMEX vise à étudier les propriétés spectrales des HC dans des conditions de dynamique et de température extrêmes, impliquant le développement et l'interprétation de nouvelles expériences hors équilibre thermodynamique local (ETL). Cela inclut les radicaux libres qui possèdent des structures électroniques complexes à couche ouverte et des espèces non rigides à mouvement nucléaire de grande amplitude qui représentent un défi pour les calculs théoriques. Cela nous amène à cibler la famille d’HC de moins de huit atomes: CH2, C2H, CH3, C2H2, CH4, C2H4, C3H4, C2H6. Les résultats théoriques seront validés expérimentalement pour divers cas de structures électroniques, de configurations nucléaires, de mouvements rovibrationnels et de symétries. Des méthodes expérimentales avancées seront mises en oeuvre de l'infrarouge lointain au visible. Une large gamme de températures sera explorée de 100 à 296 K à l’ETL en cellules statiques, et de 10 à 2000 K en jet. Un large panel de techniques expérimentales (spectroscopie par transformée de Fourier, Cavity Ring Down Spectroscopy, Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy en jet/plasma et Cavity Enhanced Optical Frequency Comb Spectroscopy) fournira des spectres dans une large gamme de conditions de température (par exemple 100 K à l’ETL; jusqu’à 10 K en jet; jusqu’à des températures de vibration de plusieurs milliers de kelvins en plasma hors ETL) pour valider les listes de raies calculées par les théoriciens de TEMMEX. Une réduction drastique de la congestion spectrale à basse température sera utile pour identifier l’origine des bandes, tandis que des expériences par onde de choc hypersonique fourniront des informations essentielles sur les états quantiques hautement excités. Un effort particulier sera attaché à la mesure des intensités des raies qui font largement défaut dans la littérature pour les espèces considérées bien qu'elles soient cruciales pour de nombreuses applications. Les radicaux libres seront formés dans une décharge de plasma radiofréquence en jet supersonique et sondés avec un nouveau spectromètre à peigne de fréquence couplé à une cavité optique permettant un enregistrement rapide des spectres sur une gamme spectrale étendue L'interprétation des spectres sera effectuée via les méthodes ab initio et variationnelles. De nouvelles listes de raies produites par des méthodes théoriques et validées par des analyses d'expériences seront utilisées pour l'attribution de traces d'hydrocarbures dans les atmosphères de Titan et des planètes externes. La collaboration passée entre deux des partenaires français (GSMA et LIPhy) et l’IAO-Tomsk dans le cadre du Laboratoire International Associé SAMIA (2014-2018) a démontré la synergie entre ces équipes. L’inclusion de l’IPR-Rennes et de TSU-Tomsk apportant des compétences expérimentales et théoriques uniques permet d’aborder de nouveaux aspects originaux, notamment la spectroscopie de gaz hors-ETL et crée les meilleures conditions pour relever les défis de TEMMEX.