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Accueil > FR > Recherche > Spectroscopie et Applications > Effets de spin en physique moléculaire > Molécules diatomiques, effet spin-orbite

Activités de recherche

par Sylvie MAGNIER - publié le

Cette activité de recherche porte sur la modélisation et la détermination de la structure électronique (courbes d’énergie potentielle, moments de transition, polarisabilités moléculaires statiques, couplages) de molécules diatomiques neutres et ioniques pour les environnements froids et l’astrophysique et comprend deux thématiques.

La première, réalisée en collaboration avec des groupes nationaux et internationaux d’expérimentateurs et de théoriciens (M. Aubert-Frécon & A.J. Ross (LASIM, Lyon), A.M. Lyyra (Temple University, Philadelphie), Li Li (Tingshua University, Chine), V.N. Sovkov (U. St Petersbourg Russie), concerne la spectroscopie des états très excités des dimères alcalins se dissociant vers et au-dessus de l’asymptote doublement excitée np+np. A partir des programmes que nous avons développés, nous déterminons les courbes d’énergie potentielle de nombreux états moléculaires ( 100 états) sur un large domaine de distances internucléaires (4a0-100a0), les moments de transition et les polarisabilités moléculaires statiques. Des études de faisabilité d’expérience sont ensuite réalisées. Sur la période 2008-2013, ces études ont été effectuées sur les premiers états excités de quelques dimères alcalins et nous avons obtenus des résultats très satisfaisants sur les molécules ( Li2 (Xie(2008)), Cs2 (Xie (2008,2009), Sovkov (2013)). Dans le cas de la molécule K2, nous avons recalculé les courbes d’énergie potentielle en tenant compte du couplage spin-orbite pour tous les états se dissociant vers 4p3/2+4p3/2 (A Jraij et al. 2009), en vue d’interpréter la réaction de transfert d’énergie entre deux atomes de potassium K(4s)+K(8s) ->K(4s)+K(4f) (collaboration avec le groupe expérimental de M. Glodz, Académie des Sciences de Varsovie). Malheureusement, nous n’avons pas pu décrire en couplage spin orbite les asymptotes 4s+8s et 4s+4f mais les sections efficaces ont pu être déterminées à partir de nos premières prédictions (Magnier et al. 2004) dans le cadre d’une dynamique moléculaire semi-classique. Un accord satisfaisant a été obtenu entre la théorie et l’expérience (σthéorique = 1,12.10-14 cm-2 et σexpérience = 1,4.10-14 cm-2 à 450 K). Parallèlement aux dimères, des études sont menées également sur les ions moléculaires alcalins par les méthodes de pseudopotentiel ou de potentiel modèle incluant désormais le couplage spin-orbite ((Jraij et al. 2008 pour K2+ et Rb2+, actuellement en cours pour la description de la molécule Rb2). Depuis peu, en collaboration avec M. Lyyra, l’étude de la molécule Rb2 a débuté avec pour objectif d’étudier non seulement la spectroscopie des états très excités mais aussi celui de proposer de nouveaux scénarii pour former des molécules froides. Dans ce cadre, nous avons choisi d’utiliser la méthode de potentiel modèle et d’y introduire les effets liés au spin électronique et nucléaire (partie de la thèse de J. El Romh) en vue avec P. Cacciani et J. Cosléou d’observer durant le prochain quadriennal, la conversion de spin nucléaire dans Rb2.

La seconde thématique concerne la description des alcalin-gaz rares et des composés d’hydrogène. Ces travaux sont réalisés dans le cadre deux ANRS blancs obtenues en janvier 2009, DYNHELIUM et LASSA. DYNHELIUM a pour finalité l’étude de processus de dynamique moléculaire dans des nanogouttes d’hélium. Les données disponibles dans la littérature ne sont pas suffisamment précises et ne tiennent pas compte de l’interaction spin-orbite. Aussi, les courbes d’énergie potentielle avec et sans couplage spin orbite et les moments dipolaires ont été déterminés pour les molécules LiHe, RbHe et NaHe (Doctorat d’A. Wallet) (KHe et CsHe seront traitées ultérieurement). Ces molécules ont la particularité de présenter pour l’état fondamental un puits de potentiel à grande distance dont la profondeur est du même ordre de grandeur de la précision numérique des calculs. De plus, il existe très peu de données théoriques et expérimentales, celles-ci portant essentiellement sur LiHe, ce qui ne permet pas d’apprécier la qualité des calculs notamment pour RbHe et à terme pour CsHe. Les principales difficultés de ce travail sont la description du gaz rare et l’introduction du couplage spin orbite. Les calculs ont été effectués dans le cadre de la méthode potentiel modèle Les résultats obtenus pour l’état fondamental sont encourageants. A titre d’expemple, nous avons obtenu un puits de potentiel de 2,6 cm-1 à 11.6a0 en accord avec les calculs multiconfigurations ( RCCSD(T)) de Murrell et al. (2002) (Re=11.57a0, De=1.49 cm-1) pour LiHe et dans le cas de NaHe, un puits de 1.50 cm-1 à 11.8 a0 en bon accord avec les calculs grandes distances de Cerkov et al. (1994) (1.34 cm-1 à 12.16 a0). Les résultats sont actuellement en fin de rédaction. LASSA est quant à elle, un projet essentiellement expérimental dont le but est d’étudier les propriétés électroniques des hydrures de métaux de transition (MH), et de mesurer la réponse magnétique de ces espèces par spectroscopie optique. Ces molécules intéressent particulièrement la communauté des astrophysiciens car elles sont détectées dans les spectres des étoiles froides et dans les taches solaires. Comme le champ magnétique affecte les raies spectrales moléculaires (effet Zeeman), elles permettent de sonder les atmosphères stellaires magnétisées. Dans les étoiles relativement froides (naines de type M, taches solaires), la spectroscopie atomique devient inopérante, car les spectres moléculaires dominent. En prenant en compte les contraintes de longueur d’onde (fenêtre atmosphérique), de réponse magnétique et de sensibilité de détection, les MH émergent comme candidats les plus prometteurs pour sonder les environnements stellaires, particulièrement avec les instruments modernes comme ESPaDOns, dont la résolution permet d’analyser les structures Zeeman moléculaires. Les monohydrures de fer et de nickel sont les premières molécules étudiées. Les expériences ont été réalisées au LASIM par l’équipe d’A.J. Ross et en parallèle, les collègues du LATT impliqués dans ont eu en charge la recherche de NiH et FeH dans les régions appropriées du spectre solaire sur l’instrument THEMIS. Le travail théorique dont j’ai la charge, consiste à écrire le code approprié à l’analyse des spectres en tenant compte de l’effet Zeeman. Ce travail n’est actuellement pas terminé.
En parallèle, dans le cadre du développement d’une collaboration internationale avec le Liban (F. Taher) initiée en 2010, les molécules de Lutétium (LuBr, LuI et LuO) sont en cours d’étude par les méthodes de chimie quantique classiques (programme MOLPRO) en vue de constituer une base de données utiles à la communauté des astrophysiciens.