Sujets de Thèse Phd proposals 2010 – 2011

Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes
Fédération de Recherche de Physique et Chimie Fondamentales

FR2568 CNRS/Université de Toulouse III

Sujets de Thèse

PhD Proposals

2010 – 2011

Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité
(p. 1)
Laboratoire de Physique Théorique
(p. 17)
Laboratoire de Chimie et Physique Quantique
(p. 27)
Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets
(p. 41)
IRSAMC, Université Paul Sabatier, 31062 Toulouse Cedex 9, France

www.irsamc.ups-tlse.fr

Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité – UMR5589
IRSAMC, Université Paul Sabatier, 118 route de Narbonne
31062 Toulouse Cedex 09, France
Tél : [phone]
www.lcar.ups-tlse.fr

Le Laboratoire Collisions, Agrégats, Réactivité est un laboratoire de physique fondamentale dont l’activité s’exerce en optique laser et en physique atomique et moléculaire. Les thèmes de recherches expérimentaux sont diversifiés : L’équipe « atomes froids » étudie la physique des lasers à atomes guidés produits à partir d’un condensat de Bose-Einstein. L’interféromètre atomique de Mach-Zehnder de l’équipe « interférométrie atomique » permet d’observer des interférences d’ondes de matière pour explorer les propriétés physiques fondamentales des atomes. De très faibles effets de biréfringences en présence de champs magnétiques et électriques sont détectés dans le groupe « interférométrie optique ». L’équipe « Agrégats » s’intéresse à la croissance et à la fusion d’agrégats de quelques dizaines ou centaines de constituants, contrôlés à l’atome près. Dans l’équipe « Interactions ions-matière » est étudié l’effet sur les bases de l’ADN de collisions avec des particules ionisantes. L’équipe « femtoseconde » caractérise et éventuellement contrôle, grâce à des impulsions laser ultra-courtes, des atomes et des molécules à l’échelle de temps de la vibration moléculaire. Des travaux purement théoriques sont également menés sur les processus dynamiques dans les systèmes moléculaires : développements méthodologiques pour la dynamique moléculaire, dynamique de molécules isolées ou dans différents environnements, contrôle par laser de processus atomiques ou moléculaires, vide quantique.

The LCAR is a research laboratory whose activity is devoted to fundamental physics in the fields of laser optics, atomic and molecular physics. A variety of experimental topics are investigated. The “cold Atom” group studies the physics of guided atom lasers produced from a Bose-Einstein Condensate. A Mach-Zehnder atomic interferometer is used in the “Atomic interferometry” team to investigate fundamental properties of matter by observing matter waves interferences. In the “Optic interferometry” group, tiny birefringence effects are measured for exploring the magneto- and electro-optics properties of dilute matter. The cluster team studies the growth and melting of size selected atomic and molecular clusters. In the group “Ions-Matter interactions” are studied the effect of collisions of ionizing particles with DNA bases. The “Femtosecond” group characterizes and controls, by using ultra-short laser pulses, atoms and molecules at the time scale of molecular vibrations. Theoretical works on dynamical processes in molecular systems are also carried out: novel methods for molecular dynamics, dynamics of isolated molecules or in different environments, laser-control of atomic and molecular processes, quantum vacuum.

Propagation d’ondes de matière en présence de champs électromagnétiques : étude par interférométrie atomique

Un interféromètre atomique est un outil capable de mesurer avec une extrême sensibilité la propagation d’un atome. Nous avons construit un interféromètre de Mach-Zehnder avec un jet atomique de lithium aux énergies thermiques (un jet ralenti est en cours de construction). La manipulation des atomes utilise la diffraction laser dans le régime de Bragg. Avec un signal intense et une forte visibilité des franges, notre interféromètre possède une excellente sensibilité en phase, ce qui nous permet de mesurer un déphasage de l’onde atomique de l’ordre du milliradians.

Les deux faisceaux atomiques cohérents produits par diffraction laser sont spatialement séparés ce qui permet d’appliquer une perturbation sur un seul de ces faisceaux et de mesurer le déphasage résultant sur les franges d’interférences, tout à fait comme en optique. En appliquant un champ électrique sur un des faisceaux, nous avons pu ainsi mesurer la polarisabilité électrique statique de l’atome de lithium avec une incertitude 3 fois plus petite que la meilleure mesure antérieure.

L’expérience actuellement en cours de montage consiste à mettre en évidence pour la première fois que la propagation atomique en champs électrique et magnétique croisés et transverses induit une phase qui dépend du sens de propagation de l’onde de matière. Cet effet partage avec l‘effet Bohm-Aharonov pour les particules chargées la caractéristique d’être indépendant de la vitesse atomique : cette propriété des phases dites géométriques semble pourtant être naturelle dans ce cas.

Il est possible d’envisager diverses autres configurations de champs électromagnétiques, par exemple par le champ de rayonnement du corps noir, par un rayonnement laser et par des champs électriques ou magnétiques fonction du temps ou de l’espace. L’étude des déphasages induits par ces configurations de champs électromagnétiques est un domaine très riche qui devrait fournir des résultats importants : c’est le sujet principal de la thèse que nous proposons.
Quelques publications récentes de l’équipe :

Dispersive atom interferometry phase shifts due to atom-surface interactions; S. Lepoutre et al; Europhys. Lett. 88 (2009) 20002.

First measurements of the index of refraction of gases for lithium atomic waves; Jacquey M., Büchner M., Trénec G. and Vigué J., Phys. Rev. Lett. 98, 240405 (2007)

Atom interferometry measurement of the electric polarizability of lithium ; Miffre, M. Jacquey, M. Büchner, G. Trénec and J. Vigué, Eur. Phys. J. D 38, 353-365 (2006)

Thèse proposée par : Jacques Vigué et Matthias Büchner
Laboratoire : Laboratoire Collisions, Agrégats, Réactivité (UMR 5589, CNRS - Université de Toulouse, UPS) IRSAMC, Toulouse, France
Email/Téléphone : [e-mail] ou [e-mail] ; Tel : [phone]
Page Web : http://www.lcar.ups-tlse.fr/

Influence of electromagnetic fields on matter wave propagation: study by atom interferometry

An atom interferometer is able to measure with an extreme sensitivity the propagation of an atom. We have built a Mach-Zehnder atom interferometer using a lithium atomic beam, at thermal energy (a slow beam is presently under development). The coherent manipulation of the atom wave is based on laser diffraction laser in the Bragg regime. We thus obtain an intense signal intense and an excellent fringe visibility. Our interferometer has excellent phase sensitivity and it is now possible to detect and measure a phase shift of the atom wave of the order of 1 milliradians.

The two atomic beams produced by Bragg diffraction are separated in space and the maximum distance between these two coherent beams is sufficient to apply a perturbation on only one of these two beams. Then, we can measure the resulting phase shift on the interference fringe signal, exactly as in traditional optics. For instance, by applying an electric field on one of the two atomic beams, we have measured the static electric polarizability of lithium atom with an uncertainty 3 times smaller than the best previous measurement.

We are presently building an experiment to test the following theoretical prediction: the presence of transverse and crossed electric and magnetic fields induces a propagation phase which depends on the sense of propagation. This effect shares certain properties with the Bohm-Aharonov effect for charged particles; in particular both effects are independent of the particle velocity. This property of the so-called geometric phases is rather easy to understand in the present case.

Several other configurations involving electromagnetic fields can be considered: for instance, the effect of blackbody radiation or the effect of electric and magnetic fields varying in time and space. The study of the phase shifts induced by these configurations is a rich subject, which should give important results. It is the main subject of the proposed thesis.
Some recent publications of our group:

Dispersive atom interferometry phase shifts due to atom-surface interactions; S. Lepoutre et al; Europhys. Lett. 88 (2009) 20002.

First measurements of the index of refraction of gases for lithium atomic waves; Jacquey M., Büchner M., Trénec G. and Vigué J., Phys. Rev. Lett. 98, 240405 (2007)

Atom interferometry measurement of the electric polarizability of lithium ; Miffre, M. Jacquey, M. Büchner, G. Trénec and J. Vigué, Eur. Phys. J. D 38, 353-365 (2006)

PhD proposal by: Jacques Vigué and Matthias Büchner
Laboratory : Laboratoire Collisions, Agrégats, Réactivité (UMR 5589, CNRS - Université de Toulouse, UPS) IRSAMC, Toulouse, France
Email/Phone : [e-mail] or [e-mail] Phone : [phone]
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Rôle des interactions neutre-paroi sur la formation/destruction d’ions négatifs dans un plasma froid : Modélisation du collage et de la recombinaison d’atomes H ou D

Ce travail de recherche s’inscrit dans le cadre du développement du projet ITER, réacteur de fusion nucléaire qui pourrait contribuer à résoudre les problèmes de manque d’énergie attendus dans les décennies futures. Le chauffage du plasma de fusion s’effectue principalement par injection d’atomes neutres (D) énergétiques, obtenus à partir d’une source d’ions négatifs. L'objectif principal de cette thèse sera d'explorer de façon théorique une approche prometteuse pour la réalisation d’une telle source d’ions négatifs. Elle utilise un plasma froid d’hydrogène et se décompose en deux étapes i) production de molécules d’hydrogène vibrationnellement excitées sur une surface par collage et réaction de recombinaison d’atomes d’hydrogène ii) suivie du processus d’attachement dissociatif avec les électrons lents du plasma. Ce mécanisme de création repose sur une faible énergie d’adsorption atomique. Par ailleurs, le détachement associatif avec l’hydrogène atomique est un mécanisme de perte important d’ions négatifs dans le volume du plasma. Une forte énergie d’adsorption atomique peut donc minimiser ces pertes.

Le travail théorique sera focalisé sur le collage d’atomes et la production de molécules vibrationnellement excitées, en étroite collaboration avec des expériences à Grenoble (cf. AIP Conference Proceedings 1097 (2009) 74-83). Il s’agit de trouver les matériaux de surface qui soit fixent efficacement les atomes (minimisation des pertes en volume), soit génèrent des molécules à la fois en grand nombre et vibrationnellement très excitées (ce qui facilite les gains via l’attachement dissociatif des électrons). Il faut aussi déterminer les conditions de fonctionnement optimales (température du plasma, température de la surface, …). Ceci passe bien entendu par la compréhension détaillée des mécanismes élémentaires de réaction. Pour cela, les études reposeront sur des méthodes de paquets d’ondes quantiques (cf. J. Chem. Phys. 114 (2001) 474-482 ; ibid. 122 (2005) 014709-1-8) et porteront également sur les effets isotopiques, D versus H.

Le candidat devra avoir un goût pour le développement et l’utilisation de modèles numériques impliquant des calculs intensifs sur ordinateurs. Par ailleurs, il serait souhaitable qu’il ait des connaissances de base en mécanique quantique.

Contexte : Ce travail de thèse s'insère dans un projet financé par la Fédération de Recherche CEA-CNRS Fusion par Confinement Magnétique – ITER. Il rentre aussi dans le cadre du projet ANR « ITER-NIS ». La thématique de recherche s’inscrit dans une collaboration théorique de longue durée avec Bret Jackson (UMASS, Amherst, États-Unis).
Thèse proposée par : Didier LEMOINE et Bruno LEPETIT
Laboratoire : Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité
EmailTéléphone : [phone] – [phone]
Page Web : http://www.lcar.ups-tlse.fr/

Role of neutral-wall interactions in the formation/destruction of negative ions in a cold plasma source: Modeling of the sticking and of the recombination of H or D atoms

This research work is in line with the development of the ITER nuclear fusion reactor project that might contribute to solve the problems of energy shortage expected in the future decades. Fusion plasma heating is mainly accomplished by the injection of highly energetic neutral atoms (D) obtained from a negative ion source. The main objective of the thesis will be to explore theoretically a promising approach for the development of such a negative ion source. It is based on a cold hydrogen plasma and involves two steps: i) production of vibrationally-excited hydrogen molecules on a surface through the sticking and the recombination of hydrogen atoms ii) followed by the process of dissociative attachment with the slow electrons of the plasma. This creation mechanism relies on a weak adsorption energy of the atoms. In addition, associative detachment with atomic hydrogen is an important loss mechanism of negative ions in the plasma volume. Thus, a large adsorption energy of the atoms may minimise these losses.

The theoretical work will be focused on the sticking and on the production of vibrationally-excited molecules in close collaboration with experiments in Grenoble (cf. AIP Conference Proceedings 1097 (2009) 74-83). It aims at characterizing surface materials that either trap and retain the atoms (minimization of volume losses) or generate efficiently molecules in a highly-excited vibrational state (which facilitates gains via the dissociative electron attachment). It is also useful to determine optimal functioning conditions (plasma temperature, surface temperature,…). This obviously requires a detailed understanding of the elementary reaction mechanisms. To this end the studies will be based on quantum wave packet methods (cf. J. Chem. Phys. 114 (2001) 474-482; ibid. 122 (2005) 014709-1-8) and will also imply isotopic effects, that is D versus H.

The candidate should be motivated for the development and use of numerical models implying large scale computations. In addition, it is desirable that she/he possesses a good quantum mechanics background.

Context: This PhD work is in line with a project supported by the French (CEA-CNRS) and European (EFDA) research federations on magnetically-confined nuclear fusion. It is also related to the « ITER-Negative Ion Source ».project supported by the French national research agency. The research proposal may be part of a long-term theoretical collaboration with the group of Bret Jackson (UMASS, Amherst, USA).
PhD proposal by: Didier LEMOINE et Bruno LEPETIT
Laboratory: Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité
Email/Phone: [phone]
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INTERACTION ENTRE DES RAYONNEMENTS IONISANTS ET DES MOLECULES OU NANOPARTICULES RADIOSENSIBILISANTES
Nos thèmes de recherche s’inscrivent dans le cadre des dommages induits par des radiations dans les systèmes biomoléculaires. Un des objectifs majeurs de nos travaux est de caractériser l’étape physique de l’irradiation (ionisation, fragmentation, émission électronique) qui conduira aux phénomènes macroscopiques observés en radiobiologie. Actuellement nos études portent sur des molécules utilisées dans les traitements anti cancer (Halo-Uracil) et des nano particules d’or aussi connues pour leurs effets radio sensibilisants, i.e. qui augmentent les effets des radiations.

Nous proposons un sujet de thèse à caractère essentiellement expérimental mais qui pourra comporter une part de calculs de chimie quantique (nécessité d’interagir avec des chimistes théoriciens) portera sur deux aspects connexes de la thématique étudiée portant sur :

• 
  L’interaction électron-molécules radio sensibilisante en phase gaz. Pour cela, l’énergie des électrons incidents sera balayée et les fragments produits après ionisation simple et/ou double des molécules seront analysés en masse par une technique de temps de vol en multicorrélation. Ainsi le but de ces expériences est la détermination des seuils l’apparition des diverses voies de dissociation consécutives à l’ionisation simple (cation) ou double (dication) des Halo-Uracils. Ces résultats permettront de mieux analyser les spectres de fragmentation induits par des proton de 100keV.
  
• 
  L’irradiation de rayons X à 1,5 keV sur des nanoparticules d’or ou de Fe déposées sur une surface ceci dans le but de mesurer et de caractériser l’émission électronique de ces nanoparticules. En accompagnement des mesures expérimentales, l’étudiant sera chargé du développement d’un code de simulation Monte-Carlo (déjà en cours de développement) qui sera utilisé pour quantifier les lacunes crées en couche interne par les rayons X. sur les atomes constituants les nanoparticules.
  

Thèse proposée par : P. Moretto-Capelle
Laboratoire : LCAR, UMR5589, Univ. Paul Sabatier
Email/Téléphone : [e-mail] / 05.61.55.60.01
Page Web : /www.lcar.ups-tlse.fr/

INTERACTION BETWEEN IONIZING RADIATIONS AND RADIOSENSITIZING MOLECULES OR NANOPARTICLES
Our research lies in the context of the broad field of radiations damages in biomolecular systems. The aim of our work is to characterize the physical processes induced by the irradiation (ionization, molecular fragmentation, electron emission) underlying the macroscopic effects observed in radiobiology. We are presently working on molecules already used in cancer treatment (haloUracils) and also on nanoparticles of gold known for their radiosensitizing properties, i.e. the increase of the radiation effects.

We propose an essentially experimental thesis work focusing on:

• 
  electron-radiosensitizing molecules interaction in the gas phase. The electron energy will be varied and the fragments produced after single or double ionization will be mass analysed by means of a multicorrelations time of flight technique. The goal of these experiments is the determination of fragmentation thresholds of cations (single ionization) or dications (double ionization).
  
• 
  X-ray irradiation (1.5keV) on gold or iron nanoparticles deposited on surface in order to characterize the electronic emission from those nanoparticles. In parallel to the experiment, the student will have to develop a Monte-Carlo code in order to quantify the inner shell vacancies created by X-rays on the atoms forming the nanoparticles.
  

PhD proposal by: P. Moretto-Capelle
Laboratory: LCAR, UMR5589, Univ. Paul Sabatier
Email/Phone: [e-mail] / 05.61.55.60.01
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FORMATION ET FUSIONS DES AGREGATS D’EAU

Notre groupe étudie, à un niveau microscopique, comment se construit progressivement un agrégat par collages successifs d’atomes ou de molécules, et de caractériser la transition solide-liquide dans ces agrégats. Des techniques expérimentales originales, mises au point sur le sodium, sont aujourd’hui appliquées aux agrégats d’eau. Ces expériences permettent de mieux comprendre le stade précurseur de la formation de nanoparticules, lorsque le faible nombre des particules impliquées ne permet pas une approche thermodynamique classique. Le dispositif expérimental [1], nous a déjà permis de mesurer les sections efficaces de collage d’agrégats de sodium [2] et d’eau [3], en fonction de paramètres que nous savons maîtriser : la taille de l’agrégat, sa température et l’énergie de collision. Ce même dispositif donne accès aux températures et chaleurs latentes de fusion des agrégats [4].

Nos investigations se portent actuellement sur un système d’intérêt universel : l’eau. Après l’eau pure, nous aborderons les espèces contenant des germes d’acide sulfurique et/ou nitrique à cause de leur intérêt en physique atmosphérique. L’effet de la charge de l’agrégat sera également étudié. Nous serons en mesure de savoir si ces nano gouttelettes sont solides ou liquides et de connaître l’influence de ce paramètre sur les taux de nucléation. Le groupe « agrégats » mène aussi des études théoriques qui visent à concilier l’approche microscopique du phénomène de nucléation avec l’approche thermodynamique classique.

L’étudiant participera tout d’abord aux travaux expérimentaux sur l’eau pure : mesures de sections efficaces de collage de molécules d’eau sur des agrégats d’eau chargés négativement, de températures de fusion des agrégats d’eau en fonction de leur taille. Suivant leur degré d’avancement, ces études seront éventuellement étendue aux espèces non homogènes eau+acide nitrique/sulfurique. L’étudiant sera initié aux techniques expérimentales de jet moléculaire et de manipulation électrostatique de nanoparticules. Il participera à l’acquisition des données mais aussi à leur analyse théorique. A cet effet, il se familiarisera avec la physique moléculaire, la physique statistique des systèmes finis. L’étudiant pourra être amené à participer aux développements théoriques menés dans l’équipe.

[1] F. Chirot et al, “New device to study unimolecular cluster nucleation”, Rev. Sci. Instrum. 77, 063108 (2006)

[2] F. Chirot et al, “Experimental determination of nucleation scaling law for small charged particles”, Phys.Rev.Lett. 99, 193401 (2007)

[3] Unexpected sticking properties of water nanodroplets, S. Zamith, P. Feiden, P. Labastie and J.-M. L’Hermite, soumis à Phys. Rev. Lett.

[4] F Chirot et al, “A novel experimental method for the measurement of the caloric curves of clusters”, J. Chem. Phys. 129, 164514 (2008)

Thèse proposée par : Équipe agrégats / Sébastien Zamith, Jean-Marc L’Hermite
Laboratoire : LCAR UMR 5589 – Université de Toulouse
Email/Téléphone : [e-mail] ; [e-mail] / tel [phone]
Page Web : http://www.lcar.ups-tlse.fr/spip.php?rubrique23&lang=fr

NUCLEATION AND MELTING OF WATER CLUSTERS

The Cluster Group is located in the LCAR Laboratory at the Toulouse University. This experimental group is currently involved in the study of nucleation process at a molecular level. Our purpose is to learn how a polyatomic system grows by successive attachment of atomic (or molecular) subunits (unimolecular nucleation). We developed an original experimental device, which has already been successfully applied to a model system, namely sodium clusters.

These experiments, supported by a theoretical modelling of collisions and thermodynamics of clusters, are expected to offer a new insight into the first stage of nanoparticles formation, when particles are so small (made of tens of atoms) that classical thermodynamics fails and classical nucleation theories are no longer valid. Our original experimental setup [1] already allowed us to measure the sticking cross sections of sodium atoms onto mass selected sodium clusters as a function of their size and the collision energy [2]. This experimental setup also allows, through an original method developed in our group, to measure the caloric curves of mass selected clusters, thus the melting temperatures and latent heat [3]. This point is of particular interest since the melting phenomenon in clusters is still poorly understood. The method is transferable to other systems; during the PhD, these experimental investigations will be applied to water. The sticking cross sections of positively charged protonated water clusters has already revealed unexpected features [4]. We will next investigate negatively charged clusters, whose nucleation rates in supersaturated vapors are surprisingly higher than those of positive ions, and species containing a few molecules of nitric and/or sulphuric acid. These species are likely to be present in stratospheric cirrus clouds for which unimolecular nucleation may be responsible for growth. We will try to learn how the thermodynamic (melting temperature) and nucleation properties of water nanodroplets are modified when going from pure clusters to heterogeneous ones. This thesis is essentially experimental but the student will also participate to the theoretical developments carried out in the group on the thermodynamics of finite systems.

[1] F. Chirot et al, "New device to study unimolecular cluster nucleation", Rev. Sci. Instrum. 77, 063108 (2006)

[2] F. Chirot et al, “Experimental determination of nucleation scaling law for small charged particles”, Phys.Rev.Lett. 99, 193401 (2007)

[3] F Chirot et al, “A novel experimental method for the measurement of the caloric curves of clusters”, J. Chem. Phys. 129, 164514 (2008)

[4] S. Zamith et al, “Unexpected sticking properties of water nanodroplets”, submitted to Phys. Rev. Lett.
PhD proposal by: Cluster Group / Sébastien Zamith, Jean-Marc L’Hermite
Laboratory: LCAR UMR 5589 – Université de Toulouse, France
Email/Phone: [e-mail] ; [e-mail] , ph.: ([phone]
Web Page: http://www.lcar.ups-tlse.fr/spip.php?rubrique23&lang=fr
Mesures de n à mieux que 10^-17 par

métrologie de fréquence

Ce projet s'inscrit dans le vaste mouvement de développement des mesures optiques de précision, et en particulier des mesures de fréquence. Les progrès récents dans ce domaine ouvrent de nouvelles possibilités de mesure d'effets d'anisotropie dans les gaz. Depuis plus d'un siècle, magnéto- et électro-optique ont fait considérablement progresser les connaissances fondamentales en termes d'interaction matière-rayonnement, tout en fournissant de nombreuses applications, telles les cellules de Pockels ou les rotateurs de Faraday. Dorénavant, des effets plus petits et plus complexes deviennent accessibles à l'expérience.

Dans notre équipe, nous utilisons une technique de mesure originale consistant à convertir une différence de marche en différence de fréquence de résonance dans une cavité de très haute finesse. Notre premier appareil, en cours de développement, a actuellement une sensibilité de  ~ 10 mHz, soit n ~ 10^-16. Les dernières étapes du montage nous feront gagner dans les prochaines semaines les deux ordres de grandeur qui nous séparent de l'état de l'art.

Dans un premier temps, l'objectif est de mettre en évidence pour la première fois dans les gaz deux effets magnéto-électro-optiques : la biréfringence de Jones qui se manifeste en présence de champs électrique et magnétique transverses et parallèles entre eux, et l'anisotropie directionnelle magnéto-électrique, lorsque les champs transverses sont orthogonaux. Prédits depuis une trentaine d'années, ces deux effets ont été mis en évidence récemment dans un solide mais jamais dans un milieu dilué, faute de la sensibilité nécessaire.

Dans un deuxième temps, nous optimiserons notre dispositif et évaluerons la faisabilité d'une mesure de l'anisotropie magnéto-électrique du vide quantique.

Par ailleurs, la technique expérimentale que nous développons peut se généraliser à la mesure d'autres effets d'anisotropie, dans des gaz ou des milieux denses.

Sélection de publications récentes de l'équipe d'accueil autour du sujet de thèse :

2/ G. Bailly, R. Thon et C. Robilliard, "A novel apparatus to measure very small birefringences", en cours d'écriture.

1/ R. Battesti, B. Pinto Da Souza, S. Batut, C. Robilliard, G. Bailly, C. Michel, M. Nardone, L. Pinard, O. Portugall, G. Trénec, J.-M. Mackowski, G.L.J.A. Rikken, J. Vigué et C. Rizzo, "The BMV experiment: a novel apparatus to study the propagation of light in a transverse magnetic field", Eur. Phys. J D 46, 323 (2008).
Thèse proposée par : Cécile Robilliard
Laboratoire : Laboratoire Collisions, Agrégats, Réactivité
Email/Téléphone : [e-mail] / 05 61 55 76 72 ou 72 06
Page Web : http://www.lcar.ups-tlse.fr/
n measurements with a sensitivity

below 10^-17 using frequency metrology

This project belongs to the rapidly developing field of precision optics, and in particular frequency measurements. Recent progress open the way to the detection of new anisotropy effects in gases. Born more than a century ago, magneto- and electro-optics have significantly contributed to the understanding of light-matter interactions while providing numerous applications such as Pockels cells, liquid crystals or Faraday rotators. The state-of-the-art optical techniques now bring tinier and more complex effects within experimental reach.

In our group, we use an original idea consisting of converting an optical path difference into a resonance frequency difference in a very high finesse cavity. Our first apparatus, presently under development, has a sensitivity  ~ 10 mHz, hence n ~ 10^-16. In the coming weeks the last development steps will allow us to gain two orders of magnitude and thus to reach the state-of-the-art sensitivity.

In the short term, our goal is to measure for the first time in gases two magneto-electro-optical effects: the Jones birefringence which occurs in the presence of two parallel transverse electric and magnetic fields, and the magneto-electric directional anisotropy, which requires orthogonal transverse fields. Predicted some thirty years ago, both effects have been recently observed in solids but never in dilute media for lack of sensitivity.

In the longer term, we will optimize our apparatus to evaluate whether the directional anisotropy of quantum vacuum would be detectable.

Besides, the experimental technique we are developing can be generalized to the measurement of other anisotropy effects in gases or dense media.

Selection of recent publications of our group concerning this PhD proposal:

2/ G. Bailly, R. Thon and C. Robilliard, "A novel apparatus to measure very small birefringences", in preparation.

1/ R. Battesti, B. Pinto Da Souza, S. Batut, C. Robilliard, G. Bailly, C. Michel, M. Nardone, L. Pinard, O. Portugall, G. Trénec, J.-M. Mackowski, G.L.J.A. Rikken, J. Vigué and C. Rizzo, "The BMV experiment: a novel apparatus to study the propagation of light in a transverse magnetic field", Eur. Phys. J D 46, 323 (2008).
PhD proposal by: Cécile Robilliard
Laboratory: Laboratoire Collisions, Agrégats, Réactivité
Email/Phone: [e-mail] / +33/0 561 55 76 72 or 72 06
Web Page: http://www.lcar.ups-tlse.fr/


Optique et Information Quantiques :

Étude de Phénomènes Transitoires et de Propagation
L’information quantique regroupe l’ensemble des études où l’on utilise les propriétés spécifiques de la mécanique quantique pour créer des processus nouveaux du traitement de l’information. Les phénomènes quantiques utiles sont l'intrication et la superposition dont les implications paradoxales sont bien mises en évidence à travers le paradoxe EPR et les inégalités de Bell. En information quantique, les opérations ne sont plus basées sur la manipulation de bits, mais de qubits, véritables systèmes à deux niveaux. Des progrès spectaculaires ont été réalisés ces quinze dernières années mettant en évidence notamment la possibilité de réaliser la téléportation d’états quantiques et le transfert inviolable d’information (cryptographie). La mise en place expérimentale pratique de ces concepts nécessite la manipulation fine et précise des qubits. L’optique quantique où le concept du photon prend toute sa dimension est un domaine de choix où un grand nombre de manipulations peuvent être faites sur un système composé d’un photon et d’un atome en les faisant interagir, réalisant ainsi leur intrication.

Le transfert d’information et la manipulation des états quantiques est généralement un processus dynamique qui s’effectue dans le temps et l’espace impliquant des impulsions de lumière non monochromatique se propageant dans des milieux matériels. En optique semi-classique, les phénomènes transitoires et propagatifs ont été étudiés depuis les années soixante et divers phénomènes spectaculaires ont été expérimentalement observés et théoriquement interprétés. En optique quantique, des études récentes de propagation ont été menées dans le but de réaliser des mémoires optiques (stockage de photon). D’autres études ont été réalisées avec des impulsions dans le cadre de la métrologie. Toutefois, le régime de couplage fort -si riche en phénomènes en semi-classique- est rendu compliqué en optique quantique par le délicat problème de couplage de modes. Le but de cette thèse est de contribuer à palier à ces insuffisances en explorant ces différents régimes. L’équipe du LCAR possède un savoir faire important dans le contrôle de la réponse optique d’un système atomique¹. Il s’agira de transposer (du moins dans un premier temps) au régime de champ quantifié un grand nombre de phénomènes transitoires et propagatifs étudiés en semi-classique². L’introduction de schémas de contrôle cohérent dans la séquence temporelle et du paramètre épaisseur optique fera l’originalité de cette approche. Le contrôle de l‘intrication photon-atome et la pureté des états photonique lors de la propagation constituera une application naturelle de ces études.

Thèse proposée par : M. A. Bouchene
Laboratoire : Laboratoire Collisions, Agrégats, Réactivité.
Email/Téléphone : [e-mail] ; 05 61 55 60 02.
Page Web : http://www.lcar.ups-tlse.fr/spip.php?rubrique318&lang=fr

Quantum information and Optics:

Study of transient and Propagation Phenomena

Quantum information deals with the whole studies where one uses the specific properties of quantum mechanics to create new processes of data processing. The useful quantum phenomena are entanglement and superposition whose paradoxical implications are well highlighted through the EPR paradox and the Bell inequalities. In quantum information, the operations are no longer based on the bit manipulation, but qubits, true two-level systems. Spectacular progress was made these fifteen last years highlighting in particular the possibility of carrying out the teleportation of quantum states and the inviolable transfer of information (cryptography). The experimental implementation of these concepts requires fine and precise manipulation of these qubits. Quantum optic where the photon concept appears with its total complexity is a field of choice where a great number of manipulations can be made on a system made up of a photon and an atom by making them interact, thus carrying out their entanglement. The transfer of information and the handling of the quantum states represent generally a dynamic process which is carried out in time and space implying non monochromatic light pulses being propagated in material media. In semi-classical optics, the transient phenomena and propagation were studied since the Sixties and various spectacular phenomena were observed experimentally and theoretically interpreted. In quantum optic, recent studies of propagation were undertaken with the aim of carrying out optical memories (photon storage). Other studies were carried out with pulses within the framework of metrology. However, the strong field regime treatment (so rich in the semi classical regime) is extremely complicated in quantum optics because of mode coupling. The assignment of this thesis is to address theoretically this problem by exploring the transient and the propagation effects for quantum fields in the strong field regime.

The team of the LCAR has an important knowledge in the control of the optical response of an atomic system¹. It will be a question of transposing (at least initially) to the quantized field regime a great number of transient and propagation phenomena studied semi-classically². The introduction of coherent control schemes in the temporal sequence and the optical depth parameter will make the originality of this approach. The control of the photon-atom entanglement and the purity of the photon states during the propagation will constitute a natural application of these studies.
PhD proposal by: M. A. Bouchene
Laboratory: Laboratoire Collisions, Agrégats, Réactivité.

Email/Phone: [phone]
Web Page: http://www.lcar.ups-tlse.fr/spip.php?rubrique318&lang=fr
FEMTOCHIMIE PAR PAQUET

D’ONDES ATTOSECONDES

Les réactions chimiques sont le résultat d’un changement de configuration électronique lors de l’approche entre réactifs qui induit des forces déplaçant alors un ou plusieurs atomes à l’intérieur du système réactif. Comprendre le mécanisme élémentaire d’une réaction signifie, entre autres, identifier le jeu de forces responsables de ce mouvement. Les molécules sont électroniquement excitées par l’absorption d’un photon pompe issu d’une impulsion laser femtoseconde. Elles se relaxent ensuite électroniquement sur quelques centaines de femtoseconde. Détailler les bilans d’énergie de cette relaxation s’appelle communément femtochimie et relève entre autre de la chimie atmosphérique et l’astrophysique. Un problème majeur en femtochimie est la sensibilité à ces relaxations qui est atteinte par photoionization via par exemple la spectroscopie de photoélectrons ou encore l’imagerie de vecteurs vitesse des fragments. La principale variable de l’expérience est alors le délai pompe-sonde. Ceci est une partie du sujet de thèse. Ce type de détection est en général, simple et permet d’accéder aux changements des distributions d’énergie interne à l’échelle femtoseconde. Cependant lorsque les configurations électroniques qui définissent la molécule sont trop complexes pour être décrites par un seul électron occupant une seule orbitale moléculaire, cette détection par photoionisation donne des sensibilités à la dynamique assez faible. Pour atteindre éventuellement une meilleure sensibilité et aussi des domaines d’énergie plus élevés, la deuxième partie de thèse consiste à produire des harmoniques élevées. Cette nouvelle technique consiste à détecter les harmoniques VUV-XUV produites par la molécule au lieu de détecter les ions ou les électrons. Les harmoniques sont issues d’une collision « cohérente » électron-cœur ionique qui prend place sur 1/20ième du cycle optique de l’impulsion sonde, soit sur une centaine d’attoseconde. Ce phénomène de « Femtochimie par imagerie attoseconde », conditionné fortement par l’intensité, la configuration électronique et la position des noyaux est de ce fait très sensible à la dynamique initiée par l’impulsion pompe. Le projet de thèse consiste à tester la sensibilité de ce processus sur des relaxations électroniques et des photodissociations. This project is a part of ICONIC European network that links 15 European partners. This European network has to use and improve VMI in a four year program spanning several areas of experimental physics and chemistry and underpinning technologies in lasers, imaging detectors, high-speed electronics and mass spectrometric methods. Marie Curie Conditions: Every citizenship allowed except French. Applicants must not have resided or carried out their main activity in the host country for more than 12 months in the three years immediately prior to their recruitment. Master degree obtained within the past four years (2009 included).

Publications : (1) V Blanchet, K Raffael, G Turri, B Chatel, B Girard, IA Garcia, I Wilkinson, B Whitaker, J. : Time dependent photoionization of azulene: Competition between ionization and relaxation in highly excited states. The Journal of Chemical Physics 128 (2008) 164318. (2) K Raffael, V Blanchet, B Chatel, G Turri, B Girard, IA Garcia, I Wilkinson, BJ Whitaker: Time-dependent photoionization of azulene: Optically induced anistropy on the femtosecond scale. Chemical Physics Letters 460 (2008) 59-63. (3) Y. Mairesse, D. Zeidler, N. Dudovich, M. Spanner, J. Levesque, D. M. Villeneuve and P. B. Corkum, High harmonic transient grating spectroscopy in a molecular jet, Physical Review Letters 100, 143903 (2008) (4) D. Shafir, Y. Mairesse, D.M. Villeneuve, P.B. Corkum and N. Dudovich, Atomic wavefunctions probed through strong-field ligh-matter interactions, Nature Physics 5, 415 (2009) (5) O. Smirnova, Y. Mairesse, S. Patchkovskii, N. Dudovich, D. Villeneuve, P. Corkum and M. Yu. Ivanov, High harmonic interferometry of multi-electron dynamics in molecules Nature 460, 972 (2009)

Thèse proposée par : V. BLANCHET + Y. MAIRESSE
Laboratoire : LCAR + CELIA
Email/Téléphone : [e-mail] + [e-mail]
Page Web : http://harmodyn.celia.u-bordeaux1.fr/ and http://www.ru.nl/iconic
FEMTOCHEMISTRY BY ATTOSECOND WAVEPACKET

Chemical reactions result from changes in electronic configurations as the reactants approach each other. In order to understand the elementary mechanism of a reaction, one must identify the forces which are responsible for the configuration change. In a photochemical process, the molecule is electronically excited by absorption of a photon (pump photon) and then relaxes on typically a few tens to hundreds femtoseconds. The details of the relaxation process, which are relevant to atmospheric and astrophysical chemistry, can be revealed by femtochemistry. An important issue in femtochemistry is how the dynamics initiated by the pump photon is detected. One of the most commonly used techniques consists in photoionizing the molecule with a second femtosecond pulse and in collecting the photoelectrons, ionized fragment by the velocity map imaging (VMI) that has enabled a number of remarkable advances in photochemistry over the past few years. The main experimental parameter is the pump-probe delay. This is one part of the PhD subject. However there are some situations where the photoionization is not possible with conventional laser sources, or where the evolution of the photoionization products is not sensitive enough to the dynamics. To address these two problems, we will use attosecond electron wavepackets to probe ultrafast molecular dynamics. This is done by recording and characterizing high order harmonics of an intense femtosecond laser pulse as a function of the pump-probe delay. Molecular dynamics would thus be observed with brand new eyes, by Extremely Non-Linear Optical Spectroscopy. Molecular information as geometry and electronic character can be indeed encoded in the amplitude, phase and polarization of the harmonics. This approach, which is very new and an extremely hot topic is the second part of the PhD. This project is a part of ICONIC European network that links 15 European partners. This European network has to use and improve VMI in a four year program spanning several areas of experimental physics and chemistry and underpinning technologies in lasers, imaging detectors, high-speed electronics and mass spectrometric methods. Marie Curie Conditions: any citizenship allowed except French. Applicants must not have resided or carried out their main activity in the host country for more than 12 months in the three years immediately prior to their recruitment. Master degree obtained within the past four years (2009 included).

Publications : (1) V Blanchet, K Raffael, G Turri, B Chatel, B Girard, IA Garcia, I Wilkinson, B Whitaker, J. : Time dependent photoionization of azulene: Competition between ionization and relaxation in highly excited states. The Journal of Chemical Physics 128 (2008) 164318. (2) K Raffael, V Blanchet, B Chatel, G Turri, B Girard, IA Garcia, I Wilkinson, BJ Whitaker: Time-dependent photoionization of azulene: Optically induced anistropy on the femtosecond scale. Chemical Physics Letters 460 (2008) 59-63. (3) Y. Mairesse, D. Zeidler, N. Dudovich, M. Spanner, J. Levesque, D. M. Villeneuve and P. B. Corkum, High harmonic transient grating spectroscopy in a molecular jet, Physical Review Letters 100, 143903 (2008) (4) D. Shafir, Y. Mairesse, D.M. Villeneuve, P.B. Corkum and N. Dudovich, Atomic wavefunctions probed through strong-field ligh-matter interactions, Nature Physics 5, 415 (2009) (5) O. Smirnova, Y. Mairesse, S. Patchkovskii, N. Dudovich, D. Villeneuve, P. Corkum and M. Yu. Ivanov, High harmonic interferometry of multi-electron dynamics in molecules Nature 460, 972 (2009)

PhD proposal by: V. BLANCHET+ Y. MAIRESSE
Laboratory: LCAR +CELIA
Email/Phone: [e-mail] + [e-mail]
Web Page: http://harmodyn.celia.u-bordeaux1.fr/ and http://www.ru.nl/iconic