Sujet Thèse EDOM 2010 MERDJI Hamedx

Ondes Et Matieres

Description

ECOLE DOCTORALE ONDES ET MATIERE CONCOURS D’ ATTRIBUTION DES ALLOCATIONS DE L’EDOM POUR SEPTEMBRE 2010 Proposition de sujet de thèse Directeur de thèse : Nom : MERDJI Prénom : Hamed Grade : Tél : [phone] Courriel : [e-mail] Nom du Laboratoire : Service des Photons, Atomes et Molécules Code d’identification (UMR,UPR,…) : Nom du Directeur : Cécile Reynaud Site Internet : http://iramis.cea.fr/spam/MEC/ Adresse : CEA-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Lieu du stage : CEA-Saclay TITRE DE LA THESE : Imagerie nanométrique femtoseconde par diffraction X cohérente Pour obtenir l’image d'un objet, il suffit usuellement de l'éclairer et d'enregistrer la lumière diffusée qui parvient à un détecteur. Si l'image est formée à l'aide d'un objectif, l'optique utilisée impose de nombreuses limitations (résolution, aberrations...). Pour atteindre des résolutions ultimes - spatialement (fonction de la longueur d'onde du rayonnement utilisé) et temporellement (fonction de la durée du "flash") -, la diffraction cohérente est une technique puissante, sans optique. En utilisant un faisceau cohérent dans le domaine X, la résolution spatiale sera nanométrique, voire atomique. Des progrès récents sur les sources X cohérentes ultra-brèves, de forte brillance crête, installées auprès d'un laser de laboratoire, ont permis d'obtenir des images en -15un seul tir, soit une ...

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Extrait

ECOLE DOCTORALE ONDES ET MATIERE

CONCOURS D’ ATTRIBUTION DES ALLOCATIONS DE L’EDOM POUR SEPTEMBRE 2010

Proposition de sujet de thèse

Directeur de thèse

:

Nom :

MERDJI

Prénom :

Hamed

Grade :

Tél :

0169085163

Courriel :

[e-mail]

Nom du Laboratoire

: Service des Photons, Atomes et Molécules

Code d’identification (UMR,UPR,…) :

Nom du Directeur : Cécile Reynaud

Site Internet :

http://iramis.cea.fr/spam/MEC/

Adresse :

CEA-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette

Lieu du stage :

CEA-Saclay

TITRE DE LA THESE

:

Imagerie nanométrique femtoseconde par diffraction X cohérente

Pour obtenir l’image d'un objet, il suffit usuellement de l'éclairer et d'enregistrer la lumière diffusée qui

parvient à un détecteur. Si l'image est formée à l'aide d'un objectif, l'optique utilisée impose de nombreuses

limitations (résolution, aberrations...). Pour atteindre des résolutions ultimes - spatialement (fonction de la

longueur d'onde du rayonnement utilisé) et temporellement (fonction de la durée du "flash") -, la diffraction

cohérente est une technique puissante, sans optique. En utilisant un faisceau cohérent dans le domaine X, la

résolution spatiale sera nanométrique, voire atomique. Des progrès récents sur les sources X cohérentes ultra-

brèves, de forte brillance crête, installées auprès d'un laser de laboratoire, ont permis d'obtenir des images en

un seul tir, soit une résolution temporelle de quelques femtosecondes (1 fs = 10

-15

s); ces résultats ouvrent la

voie à des études résolues en temps

Alors que la diffraction de Bragg reste limitée aux arrangements périodiques d'objets,

la diffraction

cohérente

permet d'imager en amplitude et en phase des objets non-périodiques, étendus et isolés. En effet, la

figure de diffraction continue permet un "sur-échantillonnage" qui autorise la reconstruction complète des

profils d'amplitude et de phase de l'objet. La diffraction cohérente dans l'extrême-UV (XUV) et le domaine X

nécessite un flux hautement cohérent (cohérence transverse) qui n'a pu être produit que récemment. Les

premières études de "

Coherent Diffraction Imaging

" (CDI) ultrabrève ont permis d’imager des objets

nanométriques isolés, en utilisant une impulsion XUV femtoseconde unique (durée ~ 20 fs), délivrée par le

Laser à Electrons Libres FLASH à Hambourg [Chapman et al. Nature Phys. 2006)]. Cette démonstration

d'imagerie "en simple tir" ouvre des perspectives importantes en imagerie de systèmes isolés non périodiques

(systèmes non cristallisables par exemple), tels que protéines isolées, cellules, virus, nanoparticules. Dans le

groupe Attophysique du SPAM au CEA, nous avons relevé le défi du CDI ultra-rapide sur la source

harmonique bien plus compacte qu’un laser à électrons libres (environ 10 m contre 350 m). Les

développements récents ont déjà permis d'optimiser la CDI en simple tir avec une résolution spatiale 70 nm

sur un flash de 20 femtosecondes [Ravasio et al. Phys. Rev. Lett. 2009].

Le sujet de thèse propose de développer les techniques d’imagerie cohérente de systèmes dynamiques. Le

travail d’abord expérimental sera mené, d’une part, sur la source harmonique du SPAM au CEA-Saclay,

d’autre part, dans le cadre de collaborations internationales auxquelles notre équipe participe, sur les sources

laser à électrons libres LCLS (Linac Coherent Light Source) à Stanford, USA et FLASH (DESY Hambourg).

Après des études tests sur la source harmonique,

telles que l’explosion induite par laser de nanoparticules, nous

nous

étudierons deux types de systèmes :

i)

Avec les impulsions X cohérentes de LCLS, nous souhaitons mesurer la dynamique de l’isomérisation

de complexes à base d’azobenzène (C

6

H

6

−

N=N

−

C

6

H

6

), qui se produit sur des temps très courts (<

100 fs). La technique de diffraction X cohérente permettra de suivre en temps réel l’évolution de la

structure moléculaire (transition trans-cis). En collaboration avec l’équipe du groupe « Edifices

Nanométriques » du Lab. Francis Perrin (CEA-Saclay), nous devrons tout d’abord synthétiser des

azobenzènes hybrides, fonctionnalisés par des nanosphères de platine. Le but est de disposer d’un

objet diffractant suffisamment dense afin de suivre l’isomérisation par diffraction en simple tir. Des

expériences de préparation auront aussi lieu sur la ligne de lumière SAX1 du synchrotron ALS

(Advance Light Source) de Berkeley.

ii)

Avec les impulsions XUV cohérentes de la source harmonique du CEA-SPAM et de FLASH à

Hambourg, nous étudierons la dynamique de films minces nanométriques (polymères) à base

d’azobenzène. En effet, l’isomérisation des complexes azobenzènes produit un mouvement

moléculaire contrôlé par la polarisation du laser. Ce phénomène pourrait être à la base de moteurs

nanométrique et moléculaire. Le but sera donc d’imager ces déplacements nanométriques en

temps réel (résolution fs) par diffraction cohérente d’une impulsion XUV sonde.

Etape essentielle des études d’imagerie, la reconstruction des images à partir de la diffraction implique des

techniques mathématiques et numériques puissantes. Le doctorant les mettra en oeuvre en collaboration avec

les équipes des Universités de Stanford et Uppsala (Suède, Prof. J. Hajdu) ; ce sera pour lui l’occasion de

faire des séjours dans ces laboratoires. La reconstruction permettra de dimensionner de futures expériences à

plus haute résolution temporelle et spatiale. Un travail théorique sur les schémas nouveaux d’imagerie

cohérente sera notamment initié, dans la perspective des études récentes faites à Saclay de l’holographie avec

référence étendue [Gauthier et al., soumis à Phys. Rev. Lett., 2010].

Ce travail de thèse se fera entre autre dans le cadre du réseau européen « ATTOFEL », des ANR « INanoX »,

« Femto-X-Mag », le réseau RTRA « COX » et le projet C’Nano « XNano ».

Quelques mots-clés : Optique non linéaire, rayonnement cohérent dans l’extrême-UV, Imagerie,

diffraction cohérente, reconstruction d’image, processus ultra-rapides

Financement de thèse envisagé :

Allocation de l’EDOM, bourse CEA.