Dynamique de collisions moléculaires à très basse énergie : mise en évidence expérimentale de résonances quantiques

Molecular collision dynamics at very low energy

• Auteur / Autrice : Simon Chefdeville
• Direction : Christian Naulin, Astrid Bergeat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Stoecklin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Stoecklin, Thomas Pino, François Lique, Michel Costes, Sebastiaan y.t. Van de meerakker
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Piergiorgio Casavecchia, Thomas Pino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance magnétique nucléaire

Électrons de faible énergie

Dynamique moléculaire

Faisceaux moléculaires

Mots clés libres

Faisceaux croisés

Dynamique moléculaire

Basse énergie

Collisions inélastiques,

Résonances quantiques

Crossed beams

Molecular dynamics

Low energy

Inelastic collisions

Scattering resonances

Résumé

Les calculs théoriques prévoient que la dynamique d’excitation rotationnelle desmolécules CO et O2, induite par collision avec H2, est dominée par des résonancesquantiques aux très basses énergies. Leur mise en évidence expérimentale estrendue difficile par la nécessité d’obtenir des énergies de collision très faibles et unegrande résolution en énergie. Les expériences menées grâce à un montage defaisceaux moléculaires croisés à angle d’intersection variable, nous permettent ainsid’observer le seuil des transitions j = 0  1 de CO à 3,85 cm-1 et Nj = 10  11 de O2à 3,96 cm-1. Ces énergies correspondent à l’énergie cinétique moyenne d’un gaz àune température inférieure à 4 K. Les pics dans le tracé des sections efficacesintégrales en fonction de l’énergie de collision, constituent la première observationexpérimentale de résonances pour des processus inélastiques. Le bon accord avecles calculs théoriques permet de valider les potentiels d’interaction et ainsi dedéduire les constantes de vitesse pour la modélisation du milieu interstellaire. Nosrésultats expérimentaux mettent en relief la nature quantique des interactionsmoléculaires aux très basses énergies.

Theoretical calculations predict that the dynamics of rotational excitation of CO or O2molecules, induced by collisions with H2, are dominated by quantum scatteringresonances at very low energies. However, experimental observation of these effectsis challenging: very low collision energies and high energy resolution are bothrequired. Experiments performed with a crossed molecular beam apparatus withvariable intersection angle allow us to observe the thresholds of the CO (j = 0  1)transition at 3.85 cm-1 and the O2 (Nj = 10  11) transition at 3.96 cm-1, whichcorrespond to the average kinetic energy of a gas below 4 K. The peaks in theintegral cross section’s collision energy dependence constitute the first experimentalobservation of resonances in an inelastic process. The good agreement betweentheory and experiment reinforces the confidence in the interaction potentials used todeduce rate coefficients for modeling the interstellar medium in the 1-20 K range. Ourexperimental results highlight the quantum nature of molecular interactions at verylow energies.