Etude théorique de collisions inélastiques intervenant dans les domaines de la chimie froide et de l’astrochimie : applications au refroidissement et au piégeage moléculaire

Grégoire Guillon

Description

Sous la direction de Thierry Stoecklin
Thèse soutenue le 13 mai 2009: Bordeaux 1
Cette thèse, motivée par le développement récent des techniques d’obtention de molécules froides, présente une étude théorique assez complète du système collisionnel ionique 3,4He + N2+. La relaxation rotationnelle de l’ion moléculaire a été décrite dans les régimes froid et ultrafroid, pour lesquels l’interaction spin-rotation du radical paramagnétique joue un rôle crucial. L’apparition de nouvelles résonances spécifiques de cette interaction a été analysée. Un autre phénomène directement lié à cette interaction, celui de la réorientation du moment magnétique associé au spin électronique du diatome induite par collision avec l’hélium, a été étudié d’abord en l’absence puis en présence d’un champ magnétique externe. Les mêmes méthodes de dynamique quantique inélastique ont été utilisées pour l’étude de la collision H2 + HF d’intérêt astrochimique.
-Collisions froides
-Gaz quantiques ultrafroids
-Piégeage magnétique
-Structure fine moléculaire
-Couplage spin-rotation
-Basculement de spin
-Champs magnétiques
-Condensation de Bose-Einstein
-Dynamique quantique indépendante du temps
-Equations couplées
-Résonances de Feshbach
-Astrochimie
-Milieu interstellaire
Abstract
-Cold collisions
-Ultracold quantum gases
-Magnetic trapping
-Molecular fine structure splitting;
-Spin-rotation interaction
-Spin flipping
-Magnetic fields
-Bose- Einstein condensation
-Time-Independent quantum dynamics
-Close-coupled equations
-Feshbach resonances
-Astrochemistry
-Interstellar medium
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13795/document

Sujets

• Condensat de Bose-Einstein
• Astrochimie

Informations

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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

THESE
présentée devant :
L’Université Bordeaux 1
pour obtenir le grade de :
Docteur de l’Université Bordeaux 1
Mention : Chimie Physique
par
Grégoire GUILLON
Sous la direction de
Thierry STOECKLIN
Equipe d’accueil : Institut des Sciences Moléculaires, Université Bordeaux 1
Ecole Doctorale : Sciences Chimiques
Titre de la Thèse :
Etude Théorique de Collisions Inélastiques
Intervenant dans les Domaines de la Chimie Froide et
de l’Astrochimie
Applications au Refroidissement et au Piégeage
Moléculaire
Soutenue le mercredi 13 mai 2009
Composition du Jury :
M. Olivier DULIEU rapporteur
M. Maurice MONNERVILLE rapporteur
M. Jean-Michel LAUNAY examinateur
M. Philippe HALVICK examinateur
M. Thierry STOECKLIN examinateur
M. Jean-Claude RAYEZ président
1



2

Sommaire


1. Introduction générale ...................................................................................................................... 6
1.1. Préalable : Le foisonnement de la Chimie Froide .................................... 6
1.1.1. Des atomes froids ............................................................................ 6
1.1.2. Des molécules de plus en plus froides ............................................ 7
1.1.3. Vers l’ordinateur quantique ............................................................................................ 9
1.1.4. Le simulateur analogique est-il apte à combler les lacunes de l’ordinateur
« classique » ? ................................................................ 11
1.1.5. Etalons de fréquence et horloges atomiques ............................................................... 13
1.1.6. Spectroscopie de haute résolution et symétries fondamentales de l’Univers ............. 14
1.1.7. Une brève revue des méthodes d’obtention des molécules froides ............................ 15
1.2. Motivations de la thèse et choix du système ........................................................................ 17
1. 3. Intérêt astrophysique des collisions inélastiques .. 20
1.3.1. Le milieu interstellaire : un désert moléculaire ............................................................. 21
1.3.2. Une discipline nouvelle : l’astrochimie .......................................... 22
1.3.3. La collision H – HF ........................................................................ 23 2
1.4. Plan et organisation de la thèse ............................ 23
Références ......................................................................... 26
+ 32. Effet de l’interaction spin–rotation sur la désexcitation rotationnelle de N en collision avec He 2
4et He dans les régimes froid et ultra froid ........................................................................................... 34
2.1. Introduction ................................ 34
+ 2 +2.2. L’ion moléculaire N ( Σ ) - Hamiltonien effectif et structure rotationnelle ....................... 36 2 g
3,4 +2.3. Le système collisionel He –N - Dynamique quantique indépendante du temps ............. 42 2
2.4. Brève description de la surface d’énergie potentielle utilisée .............................................. 45
2.5. Paramètres utilisés lors des calculs « Close Coupling » ........................ 47
2.6. Résultats et discussion .......................................................................... 48
+ 3 42.6.1. « Quenching » vibrationnel de N (v=1, N=0) en collision avec He et He .................. 48 2
+2.6.2. « Quenching » rotationnel de N ................................................................................. 50 2
3
2.7. Conclusion ............................................................................................................................. 59
Références ......................................... 60
+ 3 43. Relaxation Zeeman de N en collision avec He et He 63 2
3.1. Introduction ........................................................................................................................... 63
3.2. Changement de base pour l’expression de la matrice S ....................... 65
3.3. Paramètres de calcul ............................................................................................................. 67
3.4. Résultats et analyse ............... 67
3.4.1. Comparaison des sections efficaces de basculement de spin pour les états
+fondamentaux para (N=1) et ortho (N=0) de N .......................................................................... 67 2
3.5. Conclusion ............................................................................................. 72
Références ......... 73
+ 3 44. Dépolarisation de spin de N lors de sa collision avec He et He en présence d’un champ 2
magnétique externe .............................................................................................................................. 75
4.1. Introduction ........................... 75
4.2. Influence d’un champ magnétique externe sur la dynamique ............................................. 76
4.3. Equations « close-coupling » en présence d’un champ magnétique .... 79
4.4. Paramètres de calcul ............................................................................. 84
4.5. Résultats et discussion .......................................... 85
4.6. Conclusion ............................................................................................................................. 97
Références ......... 97
+5. Analyse des temps de vie associés aux résonances lors de collisions pour le système He + N .. 99 2
5.1. Introduction ........................................................................................................................... 99
5.2. Temps de vie et matrice Q de Smith ................... 100
+5.3. Applications au système He + N ....................... 107 2
5.4. Conclusion ........................................................................................................................... 117
Références ....................................... 118
6. Une analyse « Nearside – Farside » comparative des deux collisions inélastiques He – N et He – 2
+N 120 2
6.1. Introduction ......................................................................................................................... 120
6.2. Analyse classique de la section efficace différentielle ........................ 122
6.3. L’approche semi classique ................................................................................................... 130
6.4. La méthode « Nearside-Farside » ........................ 132
6.5. Paramètres de calcul ........................................................................................................... 134
+6.5.1. Surfaces d’énergie potentielle des complexes He – N et He – N ............................ 134 2 2
6.5.2. Dynamique .................................................................................................................. 135
4
6.6. Résultats et analyse ............................................................................................................. 136
-16.6.1. E=1000 cm ................. 137
-16.6.2. E=100 cm ................................................................................................................... 142
-16.6.3. E=20 cm ..................... 147
6.6.4. Résonance ................... 149
6.7. Conclusion ........................................................................................................................... 151
Références ....................................... 152
Articles spécialisés ........................... 152
Ouvrages d’intérêt général.............................................................................................................. 153
7. Désexcitation rotationnelle de HF lors de sa collision avec l’hydrogène moléculaire H ........... 155 2
7.1. Introduction ......................................................................................................................... 155
7.2. Surface d’énergie potentielle du complexe H – HF ............................ 157 2
7.2.1. Calculs ab initio ............................................................................................................ 157
7.2.2. Procédure d’ajustement – modèle analytique de la surface d’énergie potentielle.... 158
7.3. Calculs de dynamique inélastique ....................................................................................... 159
7.3.1. Théorie ......................................................... 159
7.3.2. Paramètres de calcul ................................................................................................... 160
7.4. Résultats et discussion ........ 161
7.4.1. Caractéristiques du complexe H – HF ........ 161 2
7.4.2. Sections efficaces de