Electron correlation and electro-nuclear couplings in the dissociative-ionization dynamics of molecules in intense laser fields
Corrélation électronique et couplages électro-nucléaires dans la dynamique d'ionisation dissociative de molécules en champs laser intenses
Résumé
This thesis, in two distinct parts, focuses on the study of the molecular dynamics of H₂ subjected to an intense laser field. In the first part (Chapters 2 and 3), I explore the crucial role of electronic correlation in the single ionization process of the H₂ molecule, using an ab-initio method to solve the time-dependent Schrödinger equation in the Born-Oppenheimer approximation. I study different geometric configurations of the molecule corresponding to different internuclear distances: at equilibrium, in an extended configuration, and in a quasi-dissociated configuration. This analysis provides a better understanding of the fundamental mechanisms involved in the ionization of the H₂ molecule in intense laser fields. In the second part (Chapters 4, 5 and 6), I turned to the development of a semiclassical model for the study of single and double ionization of the H₂ molecule. This model allows the quasi-analytical calculation of ionization rates, including up to the Coulomb explosion, while integrating the propagation of vibrational wave packets of the molecule in its neutral and ionized form. This allowed me to take into account the effects resulting from the vibrational dynamics of the nuclei, which represents a significant advance in the modeling of molecular dynamics under the influence of laser fields intense enough to produce multiple ionization of molecules. In my first study of electronic interactions, I modified the program "Many Electron Dynamics System", or MEDYS, to adiabatically deactivate the electronic correlation. This program, based on a time-dependent multi-configuration algorithm, is the result of decades of work in the group of Prof. Nguyen-Dang at Laval University in Canada. By comparing the dynamics obtained with and without electronic correlation, I was able to explore the limits and consequences of the SAE approximation, for "Single Active Electron". This analysis allowed me to better understand the importance of electronic correlation in the single ionization process of the H₂ molecule. In my second study, I developed a new model to represent the ionization process in a semi-classical way, taking into account vibrational dynamics. I started by investigating the influence of different approximations in calculating the ionization rates of the molecule, such as the ADK or PPT molecular approximations, on the first and second ionization probabilities, for different wavelengths of a pulsed laser field. I also studied the influence of different laser pulse parameters, including the linear or circular polarization of the field, on the non-Franck-Condon vibrational distributions formed in the H₂⁺ molecular ion. I have integrated vibrational dynamics into this model, using a split-operator approach to propagate the H₂ and H₂⁺ wave packets. By comparing these results with those obtained by freezing the nuclear dynamics, I was able to confirm the importance of including nuclear motion in the modeling of molecular ionization dynamics, especially for very light nuclei such as in the H₂ molecule. Finally, I was able to generate and analyze proton kinetic energy release spectra during the process of dissociation of the ionized form of the molecule and during the Coulomb explosion. These results could prove useful in future collaborations with plasma physics researchers, providing them with a tool for estimating single and double ionization probabilities and proton kinetic energy spectra, thus contributing to a better understanding of the physical phenomena occurring in certain plasmas.
Cette thèse, en deux parties distinctes, se concentre sur l'étude de la dynamique moléculaire de H₂ soumis à un champ laser intense. Dans la première partie (chapitres 2 et 3), j’explore le rôle crucial de la corrélation électronique dans le processus d'ionisation simple de la molécule H₂, en utilisant une méthode ab-initio pour résoudre l'équation de Schrödinger dépendant du temps dans l'approximation de Born-Oppenheimer. J’examine différentes configurations géométriques de la molécule, correspondant à différentes distances internucléaires : à l’état d'équilibre, dans une configuration allongée et dans une configuration quasi-dissociée. Cette analyse permet de mieux appréhender les mécanismes fondamentaux impliqués dans l'ionisation de la molécule H₂ en champs laser intenses. Dans la seconde partie (chapitres 4, 5 et 6), je me suis tourné vers le développement d'un modèle semi-classique permettant d’étudier l'ionisation simple et double de la molécule H₂. Ce modèle permet de calculer de manière quasi-analytique les taux d'ionisation, y compris jusqu'à l'explosion coulombienne, tout en intégrant la propagation des paquets d'onde vibrationnels de la molécule dans sa forme neutre et ionisée. J’ai ainsi été en mesure de prendre en compte les effets résultant de la dynamique de vibration des noyaux, ce qui constitue une avancée significative dans la modélisation de la dynamique moléculaire sous l'impact de champs laser suffisamment intenses pour engendrer une ionisation multiple des molécules. Dans le cadre de ma première étude axée sur les interactions électroniques, j’ai modifié le programme « Many Electron Dynamics System », ou MEDYS, afin de pouvoir désactiver adiabatiquement la corrélation électronique. Ce programme, qui est basé sur un algorithme multi-configurationnel dépendant du temps, est issu de plusieurs décennies de travail au sein du groupe du Prof. Nguyen-Dang de l’Université Laval au Canada. En comparant les dynamiques obtenues avec et sans corrélation électronique, j’ai pu sonder les limites et les conséquences de l'approximation SAE, pour « Single Active Electron ». Cette analyse m’a permis de mieux comprendre l'importance de la corrélation électronique dans le processus d'ionisation simple de la molécule H₂. Dans ma seconde étude, j’ai développé un programme entièrement nouveau pour représenter le processus d'ionisation de manière semi-classique tout en tenant compte de la dynamique vibrationnelle. J’ai commencé par étudier l’influence de différentes approximations dans le calcul des vitesses d’ionisation de la molécule, telles que les approximations ADK ou PPT moléculaires, sur les probabilités de première et seconde ionisation, pour différentes longueurs d'onde d’un champ laser pulsé. J’ai également étudié l'impact sur la distribution vibrationnelle non-Franck-Condon formée dans l’ion moléculaire H₂⁺, des différents paramètres de l’impulsion laser, y compris la polarisation linéaire ou circulaire du champ. J’ai intégré la dynamique vibrationnelle dans ce modèle en utilisant une approche de type opérateur fractionné, pour propager les paquets d'onde de H₂ et H₂⁺. En comparant ces résultats avec ceux obtenus en figeant la dynamique nucléaire, j’ai pu confirmer l'importance d'inclure le mouvement des noyaux dans la modélisation de la dynamique d'ionisation moléculaire, en particulier pour des noyaux très légers comme c’est le cas dans la molécule H₂. Enfin, j’ai pu générer et analyser les spectres de distribution d'énergie cinétique des protons, dans le processus de dissociation de la forme ionisée de la molécule et lors de l'explosion Coulombienne. Ces résultats pourraient être précieux pour de futures collaborations avec des chercheurs en physique des plasmas, leur fournissant un outil permettant d’estimer les probabilités d’ionisation simple et double, et les spectres d'énergie cinétique des protons, contribuant ainsi à une meilleure compréhension des phénomènes physiques se produisant dans certains plasmas.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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