Spectroscopie attoseconde et intelligence artificielle pour l'étude de la décohérence quantique dans la photoionisation

Studying quantum decoherence in photoionization with attosecond spectroscopy and artificial intelligence

• Auteur / Autrice : Jinhyeok Im
• Direction : Pascal Salières
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/01/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA/LIDYL - Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ATTO
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Décohérence quantique

Spectroscopie attoseconde

Intelligence artificielle

Quantum decoherence

Artificial intelligence

Attosecond spectroscopy

Résumé

Depuis leur première observation en 2001, les impulsions lumineuses attosecondes (1 as = 10-18 s) dans le domaine spectral extrême ultraviolet (XUV) ont permis des avancées considérables en rendant possible l'étude des mouvements électroniques dans la matière. Les impulsions attosecondes ont notamment permis de démontrer le caractère non-instantané de l'effet photoélectrique. L'approche expérimentale consiste à photoioniser un jet atomique à l'aide d'une impulsion attoseconde XUV combinée à une impulsion infrarouge femtoseconde. En mesurant la distribution d'énergie cinétique des photoélectrons obtenus, une technique appelée spectroscopie de photoélectrons, il est possible de remontrer à la dynamique attoseconde du processus d'ionisation. Cependant, soit pour des raisons fondamentales (intrication ion-photoélectron), soit pour des raisons techniques liées à l'expérience, il est fréquent que ce paquet d'onde électronique souffre de décohérence. Cet état de cohérence est un élément déterminant pour la dynamique ultrarapide de l'atome ou de la molécule ionisée, la photoionisation n'étant souvent que la première étape d'une chaîne de réactions. Pourtant jusqu'à très récemment, cet aspect a été négligé par la communauté, une des raisons étant que l'extraction de la décohérence à partir des spectres de photoélectrons constitue un problème inverse non trivial. Les récentes avancées en intelligence artificielle, en particulier avec le développement des réseaux de neurone profonds, permettent d'envisager de résoudre ce problème. La thèse consistera à étudier théoriquement et expérimentalement la cohérence du paquet d'onde électronique obtenu à l'issue de la photoionisation. La thèse comprendra deux axes de travail complémentaires : i) identifier et sonder des systèmes atomiques et moléculaires dans lesquels la décohérence attoseconde est particulièrement prononcée durant la photoionisation, ii) mettre en oeuvre et améliorer les outils numériques permettant l'extraction de l'état quantique du photoélectron à partir des mesures expérimentales. Cela impliquera l'utilisation d'algorithmes de phase-retrieval faits-maison, ainsi que le développement de réseaux de neurones artificiels entraînés à reconnaître la décohérence dans les mesures. La thèse se déroulera dans le cadre d'une collaboration forte entre le groupe Optique XUV du LCF à l'IOGS (C. Bourassin-Bouchet) et le groupe Attophysique du LIDYL au CEA-Saclay (P. Salières). La partie théorique/numérique de la thèse se fera au LCF et la partie expérimentale se fera au LIDYL sur l'installation ATTOLab.

Since their first observation in 2001, attosecond light pulses (1 as = 10-18 s) in the extreme-ultraviolet spectral range (XUV) have led to tremendous breakthroughs by enabling the study of electronic motion in matter. For example attosecond pulses have enabled one to demonstrate that the photoelectric effect is not instantaneous. The experimental approach consists in photoionizing an atomic gas jet with an XUV attosecond pulse combined with a femtosecond infrared pulse. By measuring the kinetic energy distribution of the obtained photoelectrons, a technique called laser-dressed photoelectron spectroscopy, it is possible to recover the attosecond dynamics of the ionization process. However, either for fundamental reasons (ion-photoelectron entanglement), or for technical reasons related to the experimental setup, it is frequent that the electron wavepacket suffers from decoherence. This state of coherence is decisive for the ultrafast dynamics of the ionized atom or the molecule, photoionization being often the first step in a chain of reactions. Still, this aspect has been neglected until very recently, one reason being that the extraction of the decoherence information from the photoelectron spectra is a complex inverse problem. Recent advances in artificial intelligence, especially with the development of deep neural networks, open new possibilities to solve this problem. The objective of the thesis will be to study theoretically and experimentally the coherence of the electron wavepacket obtained from the photoionization. The thesis will comprise two complementary axes: i) identify and probe atomic and molecular systems in which decoherence is particularly strong during photoionization, ii) implement and improve numerical tools to extract the quantum state of the photoelectron from the experimental measurements. This will require using home-made phase-retrieval algorithms, as well as developing artificial neural networks trained to recognize decoherence in the measurements. The thesis will take place in the frame of a strong collaboration between the XUV Optics Group of LCF at IOGS (C. Bourassin-Bouchet) and the Attophysics group of LIDYL at CEA-Saclay (P. Salières). The theoretical/numerical part will take place at LCF and the experimental part, at LIDYL in the ATTOLab facility.