Dynamique d'agrégation et de dissociation dans des matrices quantiques

Dynamics of aggregation and dissociation in quantum matrices

• Auteur / Autrice : Roland Panzou
• Direction : Marius Lewerenz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 17/11/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée) - Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Navizet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marius Lewerenz, Isabelle Navizet, Nadine Halberstadt, Nicolas Sisourat, David Bonhommeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadine Halberstadt, Nicolas Sisourat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photodissociation

Dissociation (chimie)

Agrégation (chimie)

Hélium

Théorie quantique

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Potentiels effectifs quantiques

Agrégation et dissociation

Dynamique moléculaire

Matrices quantiques

Cluster

Aggregation and dissociation

Cluster

Quantum matrixes

Molecular dynamics

Zero Point Average Dynamics

Résumé

Ce sujet est situé à l'interface entre la photochimie et la physique de basse température. L'implantation des espèces atomiques et moléculaires dans des matrices quantiques est un sujet de recherche expérimentale et théorique très active sur le plan international [1]. Ce domaine concerne des matrices de néon ou de p-hydrogène et plus particulièrement la spectroscopie et la dynamique dans des gouttelettes d'hélium, dont les propriétés sont dominées par des effets quantiques. De nombreuses expériences portent sur la formation des agrégats moléculaires ou métalliques par dopage multiple d'une gouttelette d'hélium suivie d'excitation ou ionisation ou dépôt sur une surface [2,3]. L'excitation d'une molécule ou d'un agrégat à l'intérieur de la gouttelette peut déclencher des réactions photochimiques, en particulier une photodissociation avec ou sans effet de cage. La dynamique d'agrégation ou de photodissociation dans un milieu quantique demande des techniques de calcul théorique spécifiques qui sont peu développées. Pr. Lewerenz a développé un logiciel de Monte Carlo quantique pour le calcul des propriétés statiques des agrégats de liquides quantiques et a développé une méthode de dynamique approximative (ZPAD = Zero Point Average Dynamics) qui a été appliquée à plusieurs cas exemplaires [4,5]. Le projet de thèse portera sur la photodissociation de petites molécules exemplaires comme I2. Les observations expérimentales ont donné des informations sur la taille des fragments formés et éjectés de la gouttelette et sur leurs distributions de vitesse. Ces phénomènes peuvent être simulés par le code existant pour des gouttelettes de taille modeste (10^4 atomes). Le code doit être modifié et potentiellement parallélisé pour traiter des agrégats de plus grandes tailles et pour tenir compte des interactions de longue portée entre fragments chargés. Cette situation se présente lors de la dissociation de I2 en I+ et I- observée récemment par une équipe danoise [6] après excitation laser de très haute énergie. La dynamique détaillée de la photodissociation risque de dépendre de la température initiale de la gouttelette d'hélium et de son état de rotation. Lors de ce projet on examinera la distribution de taille et vitesse de fragments en fonction de l'état initial de la gouttelette pour comparaison avec ces expériences détaillées. On envisage d'utiliser les mêmes techniques pour étudier la photo-désorption des atomes excités comme Rb qui a été examinée par techniques de laser pulsé. On examinera également la formation des agrégats à l'intérieur d'une gouttelette d'hélium suite à des collisions multiples pour étudier leurs formes qui peuvent être contrôlées par des effets cinétiques. La formation de nano-filaments métalliques et leurs dépôts sur une surface ont été observés récemment [2,3]

The subject is based between the photochemistry and physics at low temperature. Doping of quantum matrixes is a theoretical and experimental topic of research very active on international scale [1]. This domain is about neon or p-hydrogen and particularly for helium droplets whose properties are dominated by quantum effects. Several experiences concern the formation of molecular or metallic clusters into helium droplets by multiple doping followed by excitation, ionisation or landing on a surface [2,3]. Excitation or molecules or complexe inside the droplet can lead to photochemical reactions like photodissociation with or without cage effect. The dynamics of aggregation or photodissociation in quantum environment needs specific theoretical calculation techniques which are sparsely developed. Pr. Lewerenz elaborated a quantum Monte Carlo software to calculate static properties of quantum liquid clusters and an approximate dynamics method (ZPAD = Zero Point Average Dynamics) which has been used for several systems [4,5]. The thesis project aims to study photodissociation of small molecules like iodine. Experimental works gave informations on the scale and speed distributions of photofragments formed and ejected from droplet. This phenomena are able to be simulated by the existing code for small droplets (10^4 atoms). It needs to be modified to simulate bigger clusters and take into account long range interactions between ionized fragments. We can see this for iodine photodissociation I2 into I+ and I-. A Danish team [6] indicated this situation by a laser excitation at high energy. The detailed photodissociation dynamics is bound to depend on onset temperature of helium cluster and its rotation state. The speed and scale distributions of photofragments depending on initial state are going to be studied to compare to experiences. The same tools will be used to investigate photodesorption of excited atom like Rb which has been examined by pulsed laser techniques. Formation of cluster by multiple collisions inside the droplet will be explored in order to observe their shapes which are able to be controlled by kinetic effects. Metallic nanowire and soft landing on surface has been observed recently [2,3]