Dynamiques électroniques chirales résolues aux échelles attoseconde et femtoseconde sondées par des schémas de polarisation variés

Ultrafast electron dynamics in chiral molecules probed by a variety of polarization schemes at the attosecond and femtosecond timescale

• Auteur / Autrice : Sandra Beauvarlet
• Direction : Yann Mairesse, Valérie Blanchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 24/01/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Simon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Mairesse, Valérie Blanchet, Marc Simon, Anne Zehnacker-Rentien, Christian Cornaggia, Morgane Vacher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Zehnacker-Rentien, Christian Cornaggia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers attoseconde

Phénomènes ultra-rapides

Polarisation (électricité)

Polarisation (lumière)

Chiralité

Mots clés libres

Ultrarapide (femto/attoseconde)

Polarisation

Dynamiques

Molécule chirale

Dynamic

Chiral molecule

Ultrafast (femto/attosecond)

Polarization

Résumé

La chiralité moléculaire est une propriété d’importance critique dans bien des domaines tels que la biologie, la chimie, la pharmacologie. Les molécules chirales sont l’ensemble des molécules non superposables à leur image par un miroir et existent donc en deux versions miroirs appelées énantiomères, qui sont généralement très difficiles à distinguer. Pourtant leur distinction est essentielle car l’interaction d’énantiomères avec un autre objet chiral peut être fondamentalement différente : un énantiomère peut être un médicament et son image miroir un poison (e.g. la thalidomide). Ces différences considérables proviennent des réactions chimiques entres molécules chirales qu’il est intéressant d’étudier et de comprendre. Cette thèse s’inscrit dans une thématique utilisant des impulsions laser ultrabrèves à polarisation contrôlée en tant que sonde chirale pour étudier les dynamiques électroniques lors de l’interaction lumière-matière chirale à des échelles de temps femtosecondes (fs = 10-15s) et attosecondes (as = 10-18s). Cette interaction produit des asymétries caractéristiques dans les distributions angulaires de photoélectrons, le long de la direction de propagation des impulsions laser. L’asymétrie d’amplitude connue sous le nom de dichroïsme circulaire de photoélectrons (PECD), est caractéristique de la structure moléculaire et est exactement opposée quand on change l’énantiomère ou l’hélicité du champ électrique.Dans cette thèse, la chiralité moléculaire est sondée en jouant avec deux paramètres clés : la polarisation du champ électrique et son intensité définissant le régime d’ionisation. Dans un régime d’ionisation multiphotonique résonant, l’énergie de photon est balayée pour révéler l’influence des différents états intermédiaires dans la réponse chirale. Le contrôle de l’ellipticité du champ sélectionne un sous-ensemble de molécules et met en lumière des dynamiques électroniques et couplages n’apparaissant pas en polarisation strictement circulaire.Ce contrôle de l’ellipticité est utilisé par la suite dans un régime d’ionisation en champ fort où les dynamiques électroniques sont guidées par la dynamique du champ électrique. L’ellipticité permet ici de trouver un compromis entre rediffusion des électrons et chiralité du champ électrique. Dans ces travaux, on montre les premières traces expérimentales 2D et 3D d’asymétries chirales de près de 10 % provenant de photoélectrons très énergiques rediffusants (~ 35 eV). Le dichroïsme elliptique de photoélectrons rediffusants est observé et varie dans les différentes espèces chirales étudiées.Dans un second temps, la polarisation devient plus structurée en combinant des champs à deux couleurs en polarisation linéaires orthogonales. Ce champ présente une chiralité moyenne nulle mais une chiralité instantanée variable à une échelle de temps inférieure au cycle optique (< 1.7 fs). Dans un régime de champ fort, on montre que le dichroïsme de photoélectrons est sensible à des dynamiques sub-fs du champ électrique. Ce nouveau schéma de polarisation et d’interférométrie sub-cycle est ensuite combiné à des mesures « attoclock » et des calculs afin d’étudier l‘influence de l’ionisation tunnel et de la diffusion des électrons dans la réponse chirale. Ces nouvelles observables démontrent qu’une phase et une amplitude sensibles à la chiralité sont imprimées lors du passage de l’électron sous la barrière tunnel.Enfin, nous nous intéressons à une nouvelle forme de structuration de polarisations de lumière en 3D pour faire de la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans des molécules chirales. Suite à de récent travaux théoriques prédisant une très forte sensibilité à la chiralité de ce schéma, nous présentons les travaux de conception d’ une expérience à venir.

Molecular chirality is an important property in many fields such as biology, chemistry, pharmacology. Chiral molecules refer to the molecules that are not superimposable to their mirror image and exist in two forms called enantiomers which are very difficult to distinguish. However, being able to distinguish them is of critical importance since the interaction of enantiomers with other chiral objects can be extremely different : one of the enantiomers can be a medicine whereas the other one can be a poison (e.g. la thalidomide). These major differences come from chemical reactions ocurring between chiral molecules, interaction which we find interesting to study and understand. To do so, we use ultrashort laser pulses with controlled polarization as a probe for the investigation of electron dynamics in chiral light-chiral matter interaction at femtosecond (fs = 10-15s) and attosecond (as = 10-18s) timescales. This interaction produces asymmetries in the angular distribution of photoelectrons along the laser’s propagation direction. This asymmetry in the photoelectron yield, called photoelectron circular dichroism (PECD), is a signature of the molecular structure and is exactly opposite when the enantiomer or the light helicity is reversed.In this thesis, we investigate molecular chirality playing with two key parameters : the electric field polarization and its intensity which defines the ionization regime. In resonant multiphoton ionization regime, the photon energy is scanned to reveal the influence of different intermediate states in the chiral response. The ellipticity control allows the selection of a subset of chiral molecules and highlights electronic dynamics and couplings that are not visible in circular polarization.The ellipticity control is then used in a strong field ionization regime where electron dynamics are driven by the laser field dynamic. In this regime, the ellipticity allows to find a compromise between electron rescattering and chirality of the electric field. In this work we show the first trace of 2D and 3D chiral asymmetries of about 10 % coming from rescattered electrons ( ~ 35 eV). The elliptical dichroism of rescattered photoelectrons is observed and it varies in the different chiral species studied.In the remaining parts of the thesis, the polarization becomes more engineered and structured by combining two-color fields linearly and orthogonaly polarized. This field has a zero cycle-averaged chirality but variable instantaneous chirality on a time scale smaller than the optical cycle (< 1.7 fs). In strong field regime, we show that photoelectron dichroism is sensitive to sub-fs dynamics of the electric field. This new polarization and sub-cycle interferometry scheme is then combined with attoclock measurements and calculations to study the contributions to the chiral response of tunneling and electron scattering processes occurring in tunnel ionization. These new observables demonstrate that a chiral sensitive phase and amplitude are imprinted when the electron tunnels through the potential barrier.Finally, we are interested in a new form of 3D light polarization engineered for high order harmonic generation purposes in chiral molecules. Following a recent theoretical work predicting a very strong sensitivity to chirality in this scheme, we present the preliminary designs for an experiment to come.