Diexcitation électronique de l'hélium par un photon au voisinage du seuil de double ionisation

par Celsus Bouri

Thèse de doctorat en Physique. Atomes et Molécules

Sous la direction de Laurence Malegat et de Moïse Godefroy Kwato Njock.

Soutenue en 2007

à Paris 11 en cotutelle avec Douala (Cameroun) , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Corrélations électroniques
• Etats autoionisants
• Double continuum
• Photoionisation

Résumé

Nous étudions dans ce mémoire de thèse les états diexcités 1Po de l'atome d'hélium, situés au voisinage de son seuil de double ionisation (79 eV), atteints par absorption d'un photon. Ces états diexcités sont soit les états du double continuum situés au-dessus du seuil de double ionisation soit les états doublement excités situés en dessous. Ces deux types d'états diexcités sont dégénérés aux états du continuum simple avec ou sans excitation de l'ion résiduel He+ et sont donc fortement couplés à ces derniers. Dans un processus de photoabsorption à un photon, ces états ne peuvent être accessibles que grâce aux corrélations électroniques du système. Le travail que nous avons réalisé s'inscrit dans une démarche qui vise à étudier tous ces états par une seule et même méthode contrairement aux travaux antérieurs où les méthodes se spécialisaient dans le traitement d'un seul type d'état. Nous utilisons pour cela la méthode HRM-SOW (Hyperspherical R-Matrix with Semiclassical Outgoing Waves), initialement dédiée à l'étude du double continuum de He. Dans ce travail, elle est étendue à la description du continuum simple avec ou sans excitation. Ainsi, nous avons pu calculer les sections efficaces de photoionisation simple avec ou sans excitation jusqu'à n=50 de He à 100 meV seulement au-dessus de son seuil de double ionisation. Une analyse détaillée en ondes partielles a permis de mettre en évidence le rôle des corrélations angulaires et radiales dans les états du simple continuum de He. Nous avons ensuite établi une relation de continuité entre la photoionisation double et la photoionisation simple avec une excitation infinie de l'ion résiduel He+. La méthode HRM-SOW permet également de calculer la section efficace intégrée de double photoionisation avec une grande précision y compris à très basse énergie. Nous l'avons donc appliquée pour différentes énergies de photon au voisinage du seuil afin de tester la loi de seuil de Wannier. Les résultats obtenus sont en accord d'une part avec les prédictions théoriques de Wannier, d'autre part avec les résultats expérimentaux. La méthode HRM-SOW apparaît donc comme une méthode complète au-dessus du seuil de double ionisation. Nous avons poursuivi ce travail en amorçant l'étude des états doublement excités autoionisants. Ceux-ci se manifestent comme des résonances dans les sections efficaces d'ionisation sous le seuil de double ionisation. Nos calculs de sections efficaces partielles intégrées et différentielles nous ont permis d'identifier ce type d'états dans la région allant jusqu'au cinquième seuil d'ionisation simple. Certains ont été observés pour la première fois.

Titre traduit

One-photon two-electron processes in helium close to the double ionization threshold

Résumé

This work presents a study of the 1Po excited states of He that can be reached by absorption of a single photon carrying an energy close to the double ionization threshold (DIT) (79 eV). If the photon energy is greater than the DIT, the state describes two free interacting electrons in the continuum, but if this energy is lower, the two electrons are both bound. The double continuum and the doubly excited states are degenerated in energy with single ionization continua with or without excitation of the residual ion He+ and they are tightly coupled to these continua. In a one-photon process, these states can only be formed owing to the electronic correlations in the system which must be well described to obtain quantitative good results. Our study is a part of line of work which aims at a unified description of all these doubly excited, ionized-excited, and double continuum states. We use the Hyperspherical R-Matrix with Semiclassical Outgoing Waves (HRM-SOW) method, initially dedicated to double photoionization studies. We extend it to extract information on the single continuum. This extension allows us to compute cross sections of single photoionization with or without excitation up to n=50 for an excess of 100 meV just above the double ionization threshold. A deep insight into this process is given by a partial waves analysis. The results obtained shed light on the key role of angular and radial correlations. The numerous data we obtain on double and single ionization allow us to establish a continuity relation between these two processes. We show that single ionization with an infinite excitation of the residual ion merges into double photoionization when the excess energy is redistributed between the two electrons. It appears that this relation is valid not only for low but also for high photon energies. Since the HRM-SOW can produce the integrated cross section for double photoionization with high accuracy in the low energy domain, we check the Wannier threshold law. The parameters extracted support strongly this threshold law, and are in good agreement with experimental results. We complete this work with the study of doubly excited autoionizing states. The latter manifest themselves as Fano-like resonances in the ionization cross section below the double ionization threshold. We compute partial integrated as well as differential cross sections which allow us to identify a large number of resonances up to thefifth single ionization threshold. Some of them are observed for the first time.