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Ions négatifs

 Membres de l’équipe

Christophe Blondel
Cyril Drag

 Photodétachement d’ions négatifs

Les ions négatifs constituent des objets atomiques remarquables de simplicité. L’électron ajouté à l’atome neutre pour les constituer ne pouvant y être retenu qu’en se mêlant aux autres, la plupart des ions négatifs, structures fine et hyperfine mises à part, n’ont pas d’autre niveau lié que le niveau fondamental. En conséquence la seule excitation qu’on puisse leur faire subir consiste à les casser, en éjectant cet électron supplémentaire. On parle, lorsque l’excitation a lieu par absorption de lumière, de photodétachement (c. Fig. 1 à gauche). Cet avatar anionique de l’effet photoélectrique obéit naturellement à la loi générale : il y faut une énergie minimale, qui est l’affinité électronique de l’élément considéré. Dans l’équipe « ions négatifs » du LPP, deux expériences concernant le photodétachement sont en cours.

Microscopie de photodétachement de l’hydrogène

Lors du photodétachement d’un ion négatif en présence de champ électrique, l’électron éjecté peut suivre deux chemins vers le détecteur. L’observation du système d’anneaux d’interférences électroniques correspondant donne une vue directe sur le carré de la fonction d’onde transverse d’un électron atomique, avec un agrandissement de l’image qui peut atteindre trois ordres de grandeur dans un champ électrique uniforme. C’est le principe de la « microscopie de photodétachement » (cf. Fig. 1 à droite). Le microscope de photodétachement a permis de montrer avec quelle fidélité les électrons détachés d’ions négatifs légers se comportent en électrons libres. Il a immédiatement rivalisé, grâce à la précision interférométrique qu’il donne aux mesures d’énergies électroniques, avec les méthodes classiques de mesure des énergies de seuil de détachement. En conséquence, cet instrument permet de mesurer les affinités électroniques des atomes avec le plus de précision au monde (https://fr.wikipedia.org/wiki/Affinit%C3%A9_%C3%A9lectronique).

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Figure 1
Photodétachement d’un ion négatif. Principe de la « microscopie de photodétachement ».

Le nouveau projet de l’équipe vise à mesurer avec le microscope l’affinité électronique de l’hydrogène, dont l’ion négatif constitue un système modèle de l’interaction à 3 corps et dont l’affinité électronique est la seule, parmi celles qui sont connues précisément, à être mieux connue théoriquement qu’expérimentalement. Une difficulté expérimentale générale pour la mesure des affinités électroniques par voie optique vient de la nécessité de produire le photodétachement près du seuil, de façon à en cerner l’énergie au plus près. Or non seulement la section efficace de détachement, dans tous les ions négatifs, part de zéro au seuil, mais de surcroît, dans le cas de H-, elle ne croît que comme la puissance 3/2 de l’énergie excédentaire, c’est-à-dire, au seuil même, avec une pente nulle. Pour compenser la petitesse de la section efficace qui en résulte, une solution déjà éprouvée consiste à utiliser une cavité optique résonnante, afin d’augmenter le flux lumineux qui recouvre le faisceau d’ions, jusqu’à une centaine de watts. Par ailleurs, les interférogrammes prévus lors de l’émission de photoélectrons de moment cinétique orbital impair, ce qui est le cas de H-, comportent un degré de liberté supplémentaire qui peut être exploré en faisant varier la polarisation de la lumière excitatrice. La combinaison linéaire des distributions d’amplitudes produites dans les différents états de polarisation produit en théorie des interférogrammes quelquefois surprenants, dont il est important de vérifier l’allure réelle expérimentalement.
Enfin, une mesure précise de l’affinité électronique de H s’avère indispensable pour le projet GBAR (expérience au CERN) qui consiste en la mesure de l’accélération g, dans le champ gravitationnel terrestre, d’un atome d’anti-hydrogène H en chute libre. Sur ce sujet, l’équipe est partenaire d’un nouveau projet financé par l’ANR et porté par le LKB (Paris).

Recherche de résonances de photodétachement en champ magnétique

Le photodétachement des ions négatifs est un processus non-résonnant mais la contrepartie d’une grande tolérance spectrale est la faiblesse de la section efficace d’absorption de l’éventuel photon excitateur. H-, a pour le processus de capture non résonnante d’un photon conduisant au photodétachement, une section efficace de l’ordre de a02 où a0 est le rayon de Bohr (0,053 nm), qui culmine, pour une énergie de photon double de l’énergie seuil, à environ 4×10-21 m2. C’est très peu par rapport aux sections efficaces d’excitation (sans ionisation) des atomes neutres à résonance, qui sont de l’ordre du carré de la longueur d’onde d’excitation, cent millions de fois plus élevées. La petitesse relative des sections efficaces de photodétachement peut devenir un problème si on veut provoquer à coup sûr (ou presque sûr) le détachement d’un ion négatif en un atome neutre, par excitation lumineuse.
Il existe théoriquement une échappatoire. L’adjonction, autour de l’ion négatif à photodétacher, d’un champ magnétique extérieur change les propriétés du mouvement de l’électron éjecté. Le calcul montre que ce champ magnétique, en restaurant à toutes les énergies multiples de la fréquence cyclotron une certaine périodicité de mouvement, fait apparaître périodiquement des résonances. En se calant sur l’une de ces résonances, dites « résonances de Landau », on doit pouvoir multiplier la section efficace, presque sans limites, et rendre le photodétachement plus facile.
Or ces résonances de Landau, qui comportent quelques caractéristiques intéressantes pour la physique atomique fondamentale, n’ont jamais été clairement observées. Leur mise en évidence nécessite à la fois la production d’un champ magnétique assez intense (de l’ordre du tesla) et une longueur d’onde d’excitation suffisamment bien définie. Ces deux conditions pourraient être réunies, pour la première fois, au LPP.

 Actualités

Mesure directe de la section efficace d’absorption à deux photons du xénon et son impact sur les mesures des densités d’oxygène atomique par la méthode TALIF dans les plasmas froids (6 mai 2021)
Christophe Blondel et Cyril Drag rejoignent le LPP (19 octobre 2017)


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