Etude théorique de la réponse de systèmes atomiques et moléculaires à des champs externes dépendants du temps

A theoretical study of the response in atomic and molecular systems to time-dependent external fields

• Auteur / Autrice : Ingjald Pilskog
• Direction : Alain Dubois, Morten Førre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Physique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris 6 en cotutelle avec Universitetet i Bergen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure électronique

Rydberg, États de

Auger, Effet

Interactions ion-molécule

Résumé

Cette thèse concerne l’étude théorique de la réponse des systèmes atomiques et moléculaires soumis à des champs externes dépendants du temps. Il aborde principalement deux sujets: l’étude (i) d’atomes de lithium dans des états de Rydberg soumis à des champs électriques et magnétiques dépendants du temps et (ii) des processus de capture de deux électrons dans les collisions ion-molécule. Ces deux sujets sont présentés dans deux chapitres distincts, précédés par un chapitre d’introduction commun qui définit les travaux de recherche présentés dans un contexte plus large, et suivis par quelques remarques finales. Dans la dernière partie, quatre articles basés sur les travaux de thèse sont présentés: les deux premiers (Pap. 5. 1 et 5. 2 sont publiés) concernent le premier sujet, les deux derniers (Pap. 5. 3 et 5. 4 sont soumis), concernant le second. Par ailleurs, deux articles qui ne sont pas commentés dans la thèse, mais publiés au cours de la thèse, sont inclus à la fin. Le premier est relatif à l’étude de la structure et la dynamique d’anneaux quantiques, Pap. 5. 5. Le second concerne la stabilisation de l’ionisation des atomes de Rydberg dans des champs extérieurs intenses, Pap. 5. 6. L’objectif principal de l’étude des atomes de Lithium dans des états de Rydberg a été de découvrir les mécanismes fondamentaux de la dynamique intra- ouche qui sont induits par des champs électriques polarisés circulairement et linéairement. Pap. 5. 1 examine la dynamique non-hydrogénoïde dans les atomes de Rydberg du lithium, tandis que l’accent du deuxième document, Pap. 5. 2 est la dynamique hydrogénoïdes. Le travail théorique concerne l’intreprétation d’une série d’expériences effectuées à l’Université d’Aarhus et à l’Université de Bergen. Les atomes de Rydberg qui sont étudiés sont des atomes de lithium dans la couche n = 25, plus précisément l’état cohérent elliptique (CES) et les deux voisins états elliptiques quasi cohérents (qCES). Ces états sont sélectionnés pour leurs propriétés classiques. Les systèmes sont traités avec une méthode semi-classique et dans l’approximation du coeur gelé, c’est à dire que les champs sont décrits classiquements et l’électron actif est traité de façon quantique. La dynamique a été étudiée pour deux ensembles de champs. Le premier ensemble est divisé en deux parties, un interrupteur électrique avec et sans un champ électrique rotatif dans le régime de la radio-fréquence, et les résultats sont présentés dans le Pap. 5. 1. La deuxième série est basée sur un champ polarisé linéairement également dans le régime de la radio-fréquence et est présentée dans le Pap. 5. 2. Cette thèse présente en détail l’analyse théorique des oscillations régulières qui sont observées dans les transitions intra-couches. Ceci est présenté dans le Pap. 5. 1. En résolvant l’équation de Schrödinger dépendante du temps pour le problème, il est montré que la dynamique est fortement influencée par le noyau non hydrogénoïde qui brise la symétrie du problème Coulombien. Le système est d’abord étudié sans le champ RF harmonique. Cette étude montre qu’un champ variant lentement conduit au plus bas énergiquement des deux qCES initiaux, grâce à deux croisements évités avec son voisin le plus proche énergétiquement. Les oscillations observées sont dues à une différence de phase qui se développe entre les deux niveaux entre le premier et le second croisements évités. Les calculs montrent que la dynamique se réduit à un système à deux niveaux entre les plus bas qCES et ses plus proches voisins. Sur cette base, un modèle quantique à deux niveaux est présenté et les oscillations sont qualitativement reproduites par le modèle Rosen-Zener. Lorsque le champ RF harmonique est appliqué des oscillations supplémentaires sont observées. Il est également démontré que ces oscillations peuvent être reproduites par un modèle quantique à deux niveaux. Il est montré que les oscillations sont les “vestiges” d’interférences qui existent en partie en raison d’une différence de phase qui se développe entre les deux niveaux quand ils passent par deux résonances à un photon consécutives et en partie due à un changement de la phase de l’enveloppe de la perturbation. L’étude qui est présentée dans le Pap. 5. 2 étudie les résonances dans la probabilité adiabatique qui apparaît quand le champ RF augmente. L’objectif de l’étude concerne la dynamique hydrogénoïde conduisant à la suppression des résonances en fonction de l’excentricité de l’état initial. L’excentricité de l’état initial est défini par l’intermédiaires des champs électriques et magnétiques, constants. Une théorie basée sur les travaux de Kazansky et Ostrovsky est utilisée pour modéliser cette suppression de façon qualitative. Cette théorie exploite la symétrie de l’atome d’hydrogène pour réduire le problème à deux particules de spin-1/2 en champs magnétiques. Le modèle qui est présenté dans la thèse prédit correctement la suppression des résonances à photons N, où N est le nombre de photons. L’étude des atomes de Rydberg a montré qu’il est possible de sélectionner des états quasi-classiques des atomes de lithium. En réglant finement les champs externes dépendants du temps, il est possible de contrôler la transition de l’état initial à son voisin énergique. Cette étude a été réalisée avec des atomes de lithium, mais il devrait être également valable pour les métaux alcalins plus lourds. La deuxième partie de la thèse présente une méthode non-perturbative pour calculer les sections efficaces de processus électroniques survenant lors de collisions ionmolécule. La méthode est développée pour étudier la dynamique de systèmes à deux électrons en régime d’énergie intermédiaire, où de nombreuses voies de réaction sont ouvertes. La méthode est présentée en détail dans le Pap. 5. 3 qui a été soumis pour publication. Il s’agit d’un traitement théorique des processus multi-électroniques qui se produisent au cours de collisions entre un ion et une molécule diatomique. L’approche est basée sur le développement de la fonction d’onde sur les états asymptotiques monoou multi-centriques avec les bonnes conditions de translation et elle prend en compte la corrélation électronique à la fois statique et dynamique. La méthode a donc un large domaine d’application autour des vitesses d’impact intermédiaires vp ≈ ve, où ve est la vitesse classique de l’électron dans l’état initial. Une première application de ce code est également inclus dans Pap. 5. 3: il concerne l’étude des processus de transfert électronique simple et double lors des collisions He2+-H2. Une discussion générale de ces deux processus sont inclus et un accent particulier est placé sur les sections efficaces pour la capture d’électrons vers les états auto-ionisants de l’hélium. Cet accent est lié à une expérience récente d’interférométrie de type fentes d’Young effectuée par Chesnel et collaborateurs au GANIL, Caen, France. Le but de cette expérience, qui a d’abord été proposée par Barrachina et Žitnik, est de mesurer les effets d’interférences causées par un seul électron en interaction avec deux protons, qui jouent le rôle des fentes. Pour gagner un plus grand contrôle de l’expérience et acquérir une meilleure compréhension de la physique fondamentale sous-jacente, il a été proposé d’étendre l’étude vers des vitesses d’impact inférieures. Les calculs présentés dans le Pap. 5. 3 montrent que ce n’est pas faisable pour des projectiles He2+, puisque les sections efficaces de double capture vers les états autoionisants sont beaucoup trop petites pour assurer un taux de détection significatif. Pour cette raison, nous avons étudié deux autres systèmes, Li3+-H2 et B5+-H2 (Pap. 5. 4). Cette thèse présente et discute les processus de capture simple et double pour ces deux systèmes de collision. Les sections efficaces pour ces processus sont présentées pour sept vitesses d’impact différentes et l’importance relative des différentes voies de réaction est discutée en fonction de l’énergie d’impact. La discussion est soutenue par l’analyse des probabilités de transition semi-classiques en fonction du paramètre d’impact. Le Pap. 5. 4 présente une étude détaillée des sections efficaces partielles (état-à-état) de double capture vers les états doublement excités pour les trois systèmes de collision. Une méthode pour obtenir et identifier les états doublement excités est présentée et les résultats sont comparés avec les études précédentes lorsque des résultats sont disponibles. La thèse contient également une analyse de la faisabilité de l’expérience d’interférométrie à un électron à basse vitesse pour les deux systèmes de collision considérés