Étude de la dynamique électronique ultra-rapide suivant l’ionisation de la molécule de Caféine par la méthode TD-DFTB

Study of the ultrafast electronic dynamics following ionization of Caffeine molecule with the TD-DFTB method

• Auteur / Autrice : Mehdi Meziane
• Direction : Thomas Niehaus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/07/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Amanda Jane Ross
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Niehaus, Denis Jacquemin, Marie-Ange Lebeault-Dorget
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hans-Christian Weissker, Aurélien de la Lande

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ionisation

Photoionisation

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

DFT

Real-time TD-DFT

TD-DFTB

Migration de charge

Physique attoseconde

Photoionisation

Ionisation soudaine

Potentiels absorbants complexes

DFT

Real-time TDDFT

TD-DFTB

Charge migration

Photoionization

Attosecond Science

Sudden Ionization

Complex absorbing Potential

Résumé

Depuis la fin des années 80 et l'avènement de la femto-chimie nous pouvons sonder la dynamique nucléaire à l’œuvre au cours de réactions chimiques à l'échelle de la femtoseconde. Plus récemment, la production d'impulsions lasers attosecondes isolées permet d'atteindre une résolution temporelle plus grande encore. Par elle, il devient possible de sonder la dynamique d'origine purement électronique induite par photo-excitation, et notamment photo-ionisation. Dans ce contexte, avec le développement des techniques de spectroscopie résolue en temps, il est important de disposer d'approches théoriques fiables aidant à l'appréhension de résultats toujours plus nombreux dans ce domaine. La tâche et néanmoins rendue difficile par le caractère profondément multi-électronique des processus en jeu. Traiter de tels effets précisément requiert une grande puissance de calcul, ce qui a limité les études disponibles aujourd'hui à de petits systèmes. Au cours de cette thèse, j'ai tenté d'expliquer les résultats d'une expérience de type ''pompe-sonde'' (UVX-IR) sur molécule de Caféine menée par une équipe de collaborateurs à l'Institut lumière matière. J'ai utilisé pour cela une méthode basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps, la TD-DFTB dont le coût numérique réduit par rapport à cette dernière permet des calculs sur de gros systèmes en temps raisonnable. J'y présente une étude du paysage énergétique de la Caféine ainsi que le résultat de 2 approches distinctes pour simuler l'ionisation de ce composé. La première, l'approximation de l'ionisation soudaine cosiste à retirer ''à la main'' un électron à l'une des orbitales Kohn-Sham occupées du système neutre et ne tient pas compte du champ laser. La seconde à recours à un potentiel imaginaire (ou CAP - Complex Absorbing Potential) pour simuler la perte d'electrons, et tiens explicitement compte du champ laser

Since the advent of femtochemistry, at the end of 1980's, we are able to probe the nuclear dynamics underlying chemical reactions down to the scale of a femtosecond. More recently, the production of isolated attosecond pulses allows to reach an even bigger temporal resolution. It is now possible to probe the ultrafast electronic dynamics following a photo-excitation. In this context, with the developpement of time-resolved spectroscopy techniques, it is important to have reliable theorectical approaches in order to apprehend the increasing number of results in this field. This task is made difficult by the intrinsic multi-electronic nature processes at play. The precise treatment of such effects requires a considerable computing power, and have thus limited the availables studies to relatively small systems. In this thesis, I tried to explain the outcome of a ''pump-probe'' (XUV-IR) experiment on Caffeine molecule realized by our collaborators at the Insitut Lumière Matière. To do so, I used a method based on density functional theory, the TD-DFTB, which lower numerical cost with respect to TD-DFT allows calculation on bigger compounds. I present in the document a study of the energetical landscape of Caffeine, and 2 approaches to simulate ionization. The first one, the so called sudden-ionization approximation consist to retrieve ''by hand'' an electron from the occupied Kohn-Sham orbitals of the neutral system without taking the laser field into account. The other one is based on the introduction of a complex absorbing potential (CAP) to account for electron loss and take explicitely the laser field into account.