Dynamiques attoseconde et femtoseconde induites par ionisation XUV ultrarapide dans les molécules neutres et les ions biomoléculaires complexes

Attosecond and femtosecond dynamics induced by ultrafast XUV ionization in neutral molecules and complex biomolecular ions

• Auteur / Autrice : Alexie Boyer
• Direction : Franck Lépine, Vincent Loriot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/09/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Bénichou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Lépine, Vincent Loriot, Jérémie Caillat, Niloufar Shafizadeh, Pascale Changenet-Barret, Morgane Vacher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérémie Caillat, Niloufar Shafizadeh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ultraviolet lointain

Dynamique

Relaxation (physique nucléaire)

Expériences

Appareils et matériel

Recherche

Ionisation

Mots clés libres

Dynamique ultrarapide

Attoseconde

Protéines

Temps d'ionisation

Structures carbonées

Impulsions XUV

Ultrafast dynamics

Attosecond

Proteins

Ionization time

Carbon structures

XUV pulses

Résumé

Le phénomène d'ionisation, décrit par la perte d'un électron dans la matière, est un processus physique particulièrement important dans la nature. Au-delà de la production d'un électron libre, que ce soit par réaction d'oxydation ou par absorption de particules ou rayonnements énergétiques, l'ionisation est suivie par une redistribution énergétique qui mène à des réarrangements structurels. Dans le domaine de l'astrophysique, ces derniers sont responsables de l'abondance et de la variété moléculaire du milieu interstellaire. En biologie, ce sont les transferts de charges initiés par les réactions d'oxydation qui donnent lieu à la fonction biologique. Les conséquences de l'ionisation peuvent survenir à des échelles de temps longues, voire astronomiques dans le cas du milieu interstellaire. L'ionisation en elle-même a pourtant lieu à des échelles de temps attosecondes (10^(-18) secondes) et les premières étapes de la relaxation énergétique ont lieu en quelques dizaines ou centaines de femtosecondes (10^(-15) secondes). Étudier les dynamiques d'ionisation, de l'éjection de l'électron jusqu'à la redistribution énergétique, est donc nécessaire pour décrire ces processus intrinsèquement non stationnaires. Le récent développement des technologies ultrarapides XUV (de l'anglais eXtreme Ultra Violet) a permis d'obtenir les outils expérimentaux permettant l'étude en temps réel de dynamiques électroniques et nucléaires dans des atomes ou des molécules. Développées dans un premier temps pour l'étude de systèmes atomiques, diatomiques ou triatomiques, les expériences de dynamiques XUV ont récemment été étendues à des systèmes plus complexes tels que des acides aminés. Ces résultats ont mis en évidence les effets de la corrélation électronique, particulièrement importante dans des molécules impliquant un grand nombre d'électrons. L'étude du rôle de la corrélation électronique constitue un enjeu majeur du domaine de l'attochimie, dont le but ultime est de contrôler la réactivité de molécules à l'échelle de temps du mouvement électronique. Un des axes de développement de l'attochimie est la recherche de modèles généraux permettant de décrire les processus dynamiques induits dans les molécules hautement excitées pour lesquelles les effets à N-corps sont importants. Au-delà de l'aspect fondamental de ces études, l'ouverture des expériences XUV aux molécules complexes permettrait de connecter l'attochimie à des domaines tels que la biologie, qui nécessitent un saut technologique important afin d'étudier des molécules aussi complexes que des protéines. Dans cette thèse, nous poussons la complexité des systèmes étudiés dans le cadre de l'étude du processus d'ionisation mais également des premières étapes de relaxation énergétique. La première partie de cette thèse traite du processus d'ionisation. Les études ont été menées sur des structures carbonées de dizaines d'atomes. Nos résultats mettent en avant l'importance de la dimension moléculaire et montrent, pour la première fois, que les expériences attosecondes permettent d'accéder à une nouvelle propriété de la matière : la taille de la lacune électronique, avec une précision de l'angström. La deuxième partie de cette thèse se focalise sur les dynamiques de relaxation étudiées pour des structures carbonées allant jusqu'à une soixantaine d'atomes. Nos études mettent en évidence l'effet de la corrélation électronique et permettent d'extraire des modèles généraux pour la compréhension des dynamiques électroniques et vibrationnelles de systèmes hautement excités. La dernière partie de cette thèse pousse le développement des expériences XUV vers de nouveaux domaines tels que la biologie. Pour cela, nous avons développé un nouveau dispositif expérimental qui permet pour la première fois d'étudier les dynamiques ultrarapides faisant suite à l'ionisation de protéines. Nos résultats ouvrent de nouvelles possibilités quant au développement des sciences ultrarapides XUV vers l'attochimie.

The ionization process is described by the emission of an electron. This is a particularly important phenomenon in nature, which can be caused by oxidation reaction or absorption of energetic particles or light. Beyond the production of a free electron, ionization also induces dynamics and energy redistribution that lead to structural rearrangements. In the context of astrophysics, these rearrangements shape the molecular abundance and variety of the interstellar medium. In biological systems, the charge transfer caused by oxidation reactions can lead to biological function. The consequences of ionization can be observed on longer timescales, astronomical in the case of the interstellar medium. However, the ionization itself takes place on the attosecond timescale (10^(-18) seconds) and the first steps of energetic redistribution on the femtosecond timescales (10^(-15) seconds). Thus, in order to describe those non stationary processes, it is mandatory to understand the ionization dynamics, from the emission of electrons to the energy redistribution. The recent development of ultrafast XUV technologies (eXtreme Ultra Violet) has brought new tools to study in real time the electronic and nuclear dynamics in atoms and molecules. XUV experiments have been first applied to the study of atoms, di- or triatomic systems. Only recently were these experiments extended to more complex systems such as amino acids. These results show the effect of electron correlation, which is particularly important for large molecules as the dynamics involve many electrons. The understanding of correlation effect is one of the main challenge in attochemistry, whose ultimate goal is to control molecular reactivity down to the timescale of the electronic movement. Currently, an important development focus in attochemistry is to identify general models that are accurate enough to include many-body effects and to describe the dynamics induced by XUV in highly excited molecules. Beyond the fundamental aspect of these studies, the extension of XUV experiments towards complex systems could also connect attochemistry to other research field such as biology. However, this requires to overcome an important technical step in order to study molecules as complex as proteins. In this thesis, we have developed experiments to study the ionization process as well as the first steps of energy relaxation in complex systems. The first part of this thesis investigates the ionization process by studying carbon structures of tens of atoms. Our results bring out the importance of dimensionality of molecules and show for the first time that attosecond experiments allow to access properties of matter such as the size of the hole with angstrom accuracy. The second part of this thesis deals with the relaxation dynamics of carbon structures of various sizes, up to sixty atoms. Our results show the importance of electron correlation in the description of the dynamics. Moreover, we were able to derive general laws from these results that help to understand electronic and vibrational dynamics of highly excited molecules. The last part of this thesis shows the development of a new experiment that allows to connect attochemistry with other research area such as biology. Our experiment allows for the first time to measure ultrafast dynamics following the ionization of proteins. These results open new perspectives to push the development of ultrafast XUV science towards attochemistry.