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Accueil > FR > Recherche > Spectroscopie et Applications > Effets de spin en physique moléculaire > conversion de spin nucléaire

Astrophysique

par Jean COSLEOU, Mohammed KHELKHAL, Patrice CACCIANI - publié le

Dans les prospectives du précédent rapport, nous proposions d’apporter des données de laboratoire (expérimentales et théoriques) pour aider à cerner les paramètres qui influencent la conversion de spin nucléaire et ses échelles de temps caractéristiques dans ses différentes phases (solide, gaz et à l’interface entre ces deux états). Le but est de comprendre le comportement d’une molécule à l’interface gaz – solide lors des phases d’adsorption et de désorption sur les grains ou poussières interstellaires.

Ce projet a été validé par l’obtention d’une ANR blanche GASOSPIN pour 4 années (2009-2013) qui couvre presque entièrement la période de notre bilan et qui a mobilisé entièrement notre activité de recherche.
Le titre en est « Conversion de spin nucléaire de molécules hydrogénées à l’interface solide-gaz ». Elle implique deux autres équipes :

  • celle de X. Michaut et J.-H. Fillion (LPMAA ,Paris), spécialiste de la conversion de spin nucléaire sur des matrices de gaz rares, avec laquelle nous avions déjà créé un partenariat pour des projets soutenus dans le cadre de programmes PNP e PCMI
  • celle de C. Martin (PIIM, Marseille) qui nous a rejoint en tant que spécialiste des comportements des molécules à très basse température, lors des phases d’absorption et de désorption.

Avec notre compétence acquise précédemment sur la conversion en phase gazeuse, nous avions ainsi la capacité de mener à bien ce projet, en nous concentrant plus spécifiquement sur des molécules plus fondamentales pour l’astrophysique, telles que l’eau, le méthane, l’ammoniac et le formaldéhyde.
Nous avions anticipé le sujet en 2008, en développant une expérience sur H2O sur la base de l’observation d’un groupe russe Tikhonov et Volkov (Science, 296, 2363 (2002)) où un enrichissement isomérique est obtenu lors de la traversée par les molécules d’eau d’une colonne de chromatographie contenant du charbon actif. L’enrichissement est la clé expérimentale qui permet d’observer la conversion de spin. Cette technique semblait particulièrement intéressante. C’est pourquoi X. Michaut et P. Cacciani ont visité le groupe russe pour discuter des conditions expérimentales de ce process.
L’expérience réalisée au laboratoire a consisté à mesurer l’absorption progressive par le charbon actif à partir de deux raies voisines correspondant aux deux espèces ortho et para. Aucune variation du rapport ortho/para n’a été détecté durant ce processus. La raison de cet échec est donnée plus loin.

A partir de 2009, nos efforts furent consacrées à 100% sur les taches programmées de notre ANR soit l’interaction gaz-surface, l’approche théorique, le développement de méthode de mesures sensibles des populations isomériques, et le développement de techniques d’enrichissement en isomère de spins.
Une cellule CEAS a été développé puis nous avons bénéficié du prêt d’une cellule Herriot refroidie (LPMAA) avec laquelle des expériences d’absorption directe sont possibles.
Nous avons cherché à transférer pour la phase gaz, la méthode utilisé par nos partenaires pour des molécules en matrice de gaz rares : à savoir la variation rapide de température dans une gamme où les rapports ortho/para varie significativement de la proportion observée à température ambiante.
Si il y a conversion, l’ensemble des molécules finiront par atteindre l’état le plus bas d’énergie, s’il n’y a pas conversion chaque ensemble de molécules d’une espèce donnée, atteindront leur état le plus bas respectif.
La température critique pour laquelle ces deux hypothèses divergent est d’environ 200 K pour H2O, 100 K pour l’ammoniac NH3 et 45 K pour le méthane CH4.
En janvier 2009, nous avons déplacé notre système laser au LPMAA pour mesurer le spectre du méthane autour de 1.5microns à l’intérieur d’une cellule Herriot dont la température peut être ajuster jusqu’à 15 K. Lorsque la température descend, la pression de vapeur saturante et donc le nombre de molécules en phase gaz chute très rapidement et il est possible ainsi d’observer un spectre jusqu’à 55 K environ.

Grâce à l’ANR blanche nous avons pu recruter un post-doc pour 2 ans (Peter Cermak) qui avait développé lors de sa thèse une source laser à 2.3 microns (VECSEL). Cette gamme de longueur d’onde est beaucoup plus favorable pour l’étude du méthane.
Nous avons étudié le méthane dans cette gamme et observé le spectre jusqu’à une température limite de 42 K. L’équilibre isomérique des populations commence tout juste (1%) à s’éloigner de sa valeur à 296K.
Nous avons étudié alors les situations suivantes en observant en temps réel les populations :

  • descente d’un échantillon gazeux à 15 K et réchauffement rapide (1 à 2 minutes) jusqu’à 50 K où la phase gaz redevient observable.
  • introduction rapide de molécules à température ambiante dans la cellule refroidie préalablement à 15 K.

Nous n’avons pas pu mettre en évidence de comportement spécifique signature d’un enrichissement isomérique ou une conséquence d’une conversion ou non de spin.
Cependant nous avons observé pendant ce refroidissement rapide, la signature spectrale simultanée de la phase gaz et de la phase solide pendant une durée de quelques secondes. Le suivi en temps réel grâce à la source VECSEL d’un nombre important de transitions de nombre rotationnel J et de symétrie (A,E,F) différents a pu être enregistré. Des évolutions différentes suivant la symétrie ont été observé mais n’ont pas encore reçu d’analyse pertinente.
Dans le cas du réchauffement, nous avons ajusté la quantité de molécules présentes dans la cellule afin d’obtenir une situation finale où la phase gaz mesurée se retrouve en présence ou non de la phase solide (“ glace ”), avec l’idée d’observer une différence entre ces situations.
Nous avons observé la signature de la phase solide de CH4 ainsi que la transition de phase (phase I -phase II ) qui arrive vers 20 K.

Théorie :
Nos développements théoriques du calcul de ces temps de conversion (publication sur NH3, H2O, et CH4 en préparation) a permis l’interprétation de données sur les temps de conversion en matrice de gaz rares ainsi que les hypothèses émises pour les jets moléculaires et la phase gaz. Au delà de la validité du modèle dit de relaxation quantique, elle constitue un guide pour l’élaboration de schémas expérimentaux pour l’observation de la conversion de spin.