Dynamiques électroniques chirales résolues aux échelles attoseconde et femtoseconde sondées par des schémas de polarisation variés

Abstract

La chiralité moléculaire est une propriété d’importance critique dans bien des domaines tels que la biologie, la chimie, la pharmacologie. Les molécules chirales sont l’ensemble des molécules non superposables à leur image par un miroir et existent donc en deux versions miroirs appelées énantiomères, qui sont généralement très difficiles à distinguer. Pourtant leur distinction est essentielle car l’interaction d’énantiomères avec un autre objet chiral peut être fondamentalement différente : un énantiomère peut être un médicament et son image miroir un poison (e.g. la thalidomide). Ces différences considérables proviennent des réactions chimiques entres molécules chirales qu’il est intéressant d’étudier et de comprendre. Cette thèse s’inscrit dans une thématique utilisant des impulsions laser ultrabrèves à polarisation contrôlée en tant que sonde chirale pour étudier les dynamiques électroniques lors de l’interaction lumière-matière chirale à des échelles de temps femtosecondes (fs = 10-15s) et attosecondes (as = 10-18s). Cette interaction produit des asymétries caractéristiques dans les distributions angulaires de photoélectrons, le long de la direction de propagation des impulsions laser. L’asymétrie d’amplitude connue sous le nom de dichroïsme circulaire de photoélectrons (PECD), est caractéristique de la structure moléculaire et est exactement opposée quand on change l’énantiomère ou l’hélicité du champ électrique.Dans cette thèse, la chiralité moléculaire est sondée en jouant avec deux paramètres clés : la polarisation du champ électrique et son intensité définissant le régime d’ionisation. Dans un régime d’ionisation multiphotonique résonant, l’énergie de photon est balayée pour révéler l’influence des différents états intermédiaires dans la réponse chirale. Le contrôle de l’ellipticité du champ sélectionne un sous-ensemble de molécules et met en lumière des dynamiques électroniques et couplages n’apparaissant pas en polarisation strictement circulaire.Ce contrôle de l’ellipticité est utilisé par la suite dans un régime d’ionisation en champ fort où les dynamiques électroniques sont guidées par la dynamique du champ électrique. L’ellipticité permet ici de trouver un compromis entre rediffusion des électrons et chiralité du champ électrique. Dans ces travaux, on montre les premières traces expérimentales 2D et 3D d’asymétries chirales de près de 10 % provenant de photoélectrons très énergiques rediffusants (~ 35 eV). Le dichroïsme elliptique de photoélectrons rediffusants est observé et varie dans les différentes espèces chirales étudiées.Dans un second temps, la polarisation devient plus structurée en combinant des champs à deux couleurs en polarisation linéaires orthogonales. Ce champ présente une chiralité moyenne nulle mais une chiralité instantanée variable à une échelle de temps inférieure au cycle optique (< 1.7 fs). Dans un régime de champ fort, on montre que le dichroïsme de photoélectrons est sensible à des dynamiques sub-fs du champ électrique. Ce nouveau schéma de polarisation et d’interférométrie sub-cycle est ensuite combiné à des mesures « attoclock » et des calculs afin d’étudier l‘influence de l’ionisation tunnel et de la diffusion des électrons dans la réponse chirale. Ces nouvelles observables démontrent qu’une phase et une amplitude sensibles à la chiralité sont imprimées lors du passage de l’électron sous la barrière tunnel.Enfin, nous nous intéressons à une nouvelle forme de structuration de polarisations de lumière en 3D pour faire de la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans des molécules chirales. Suite à de récent travaux théoriques prédisant une très forte sensibilité à la chiralité de ce schéma, nous présentons les travaux de conception d’ une expérience à venir.