Étude expérimentale et numérique des propriétés hors-équilibre de métaux dans le régime dense et tiède à l'échelle femtoseconde

Abstract

L’irradiation de matériaux par un faisceau laser infra-rouge de durée femtoseconde permet de porter la matière dans le régime dense et tiède, frontière entre la physique du solide et la physique des plasmas. Á une échelle de temps aussi courte, on provoque une situation hors-équilibre thermique, où une grande quantité d’énergie est déposée dans les électrons tandis que les ions restent froids. Ce fort déséquilibre peut alors provoquer de grandes modifications des propriétés de la matière. L’étude présentée ici se penche sur deux métaux différents dans le régime dense et tiède hors-équilibre, le cuivre et le molybdène. Ces métaux ont été étudiés expérimentalement en utilisant la spectroscopie d’absorption des rayons X près des seuils (XANES) résolue en temps, ainsi que des simulations numériques dites ab initio et hydrodynamiques. Ces dernières permettent respectivement d’étudier la matière à l’échelle atomique au travers des structures électronique et ionique, et à l’échelle macroscopique en décrivant le comportement des électrons et des ions suite à un dépôt d’énergie. En utilisant ces trois outils (parmi d’autres), le cuivre a beaucoup été étudié dans le régime dense et tiède hors-équilibre. Notamment, un diagnostic quantitatif de la température des électrons dans le cuivre a été développé dans le passé, basé sur la spectroscopie XANES au seuil L3 et des simulations ab initio. Dans la continuité de ce résultat, nous avons étudié le transport de l’énergie électronique dans le cuivre chauffé par laser à l’échelle femtoseconde, et mis en évidence que, au delà d’un certain flux laser, ce transport est dominé par la diffusion thermique plutôt que par le transport d’électrons balistiques. Ensuite, nous avons transposé la méthodologie d’étude de la matière dense et tiède sur le molybdène, choisi en tant que prototype de métal de transition pour les études dans ce régime. Des simulations hydrodynamiques nous ont permis d’estimer les conditions thermodynamiques caractéristiques du molybdène à la suite d’un chauffage par une impulsion laser femtoseconde. Ensuite, une batterie de simulations ab initio ont été conduites. Elles ont permis d’identifier des motifs spécifiques dans les spectres XANES au seuil L3 du molybdène, ses liens avec les structures électronique et atomique, et comment cela change dans le régime dense et tiède en fonction de la température et de la densité. Enfin, une expérience préliminaire de spectroscopie XANES sur le molybdène dense et tiède nous a montré que le spectre froid du molybdène expérimental est en très bon accord avec les résultats des simulations ab initio. De plus, cette expérience a aussi montré qu’il était possible d’observer expérimentalement les changements du spectre XANES attendus par les simulations sur le molybdène.