Titre original :

Spectroscopie térahertz à haute résolution : développements expérimentaux et études des molécules manifestant des mouvements de grande amplitude

Titre traduit :

High-resolution terahertz spectroscopy: experimental developments and studies of molecules exhibiting large amplitude motions

Mots-clés en français :
  • Mouvements de vibration de grande amplitude

  • Spectroscopie terahertz
  • Molécules interstellaires
  • Rotation moléculaire
  • Spectres de rotation-vibration
  • Molécules flexibles
  • Formiate de méthyle
  • Acétaldéhyde
  • Méthylamines
  • Opérateur hamiltonien
  • Niveaux d'énergie (théorie quantique)
  • Langue : Français, Anglais
  • Discipline : Sciences physiques
  • Identifiant : Inconnu
  • Type de mémoire : Habilitation à diriger des recherches
  • Date de soutenance : 20-12-2017

Résumé en langue originale

Les travaux présentés dans cet ouvrage ont pour objet deux axes principaux : (i) développement instrumental de spectromètres dans la région térahertz et (ii) les études de spectre de rotation de molécules organiques non rigides dans la région térahertz Le domaine térahertz qui s’étend entre 100 GHz et 30 THz est connu pour les difficultés de générer et contrôler le rayonnement surtout dans la partie inférieure de la gamme jusqu’à 3 THz environ. En même temps ce domaine de fréquence représente un intérêt particulier pour la détection de molécules en phase gaz grâce à leurs spectres de rotation. Historiquement les sources les plus performantes en termes de couverture, puissance et pureté spectrale dans ce domaine étaient les tubes électroniques carcinotrons. Cependant ces dix dernières années un progrès considérable a été fait dans le développement des nouvelles sources solides basées sur le principe de génération d’harmoniques dans les diodes Schottky. Dans me travaux je présente la mise en œuvre de spectromètres térahertz qui utilisent comme sources de rayonnement les carcinotrons et les chaines de multiplication de fréquence à base des diodes Schottky. Outre les sources de rayonnement, la particularité de ces spectromètres est le système de balayage rapide en fréquence que j’ai développé. Le système utilise un synthétiseur numérique direct et permet de balayer la source de façon très rapide tout en gardant la précision de mesure de la fréquence. En ce qui concerne les études des spectres moléculaires, mes travaux portent principalement sur l’analyse de spectres de rotation de molécules manifestant un ou deux mouvements de vibration de grande amplitude (MVGA) et qui souvent représentent un intérêt pour la télédétection dans le milieu interstellaire ou dans l’atmosphère planétaire. L’interaction entre les MVGA et la rotation de la molécule rend l’analyse spectrale beaucoup plus compliquée et nécessite l’utilisation de modèles spécifiques. Ces modèles peuvent être séparés en deux groupes : « locaux » et « globaux ». Les premiers considèrent un certain sous-groupe de tous les états d’énergie associés avec un MVGA et traitent ceux-ci par un hamiltonien dédié. Les secondes peuvent traiter la totalité des états par un seul ensemble de paramètres. Dans mes études j’ai appliqué les deux groupes de méthodes à des molécules avec des mouvements internes de type torsion (typiquement il s’agit du groupement CH3) ou inversion (groupement NH2). Dans la grande majorité des cas, dans mes études, il a été possible de reproduire les données spectrales avec ces modèles théoriques à la précision expérimentale au moins pour l’état fondamental de vibration. Cela a conduit à la détection de certaines de ces molécules pour la première fois dans le milieu interstellaire. Mes études ont mis en évidence l’efficacité des méthodes « globaux » mais également certaines limitations des modèles théoriques de deux groupes.

Résumé traduit

The results presented in this work concerns two main axes: (i) instrumental development of spectrometers in the terahertz region and (ii) rotation spectrum studies of non-rigid organic molecules in the terahertz region The terahertz domain which extends between 100 GHz and 30 THz is known for the difficulties of generating and controlling the radiation especially in the lower part of the range up to about 3 THz. At the same time, this frequency domain is of particular interest for the detection of molecules in the gas phase thanks to their rotation spectra. Historically the most powerful sources in terms of coverage, power and spectral purity in this area were the electronic tubes carcinotrons. However, in the last decade considerable progress has been made in the development of new solid sources based on the principle of harmonic generation in Schottky diodes. In my work, I present the implementation of terahertz spectrometers that use carcinotrons and frequency multiplication chains at the base of Schottky diodes as radiation sources. In addition to the radiation sources, the special feature of these spectrometers is the fast frequency scanning system that I developed. The system uses a direct digital synthesizer and allows very rapid frequency scan of the source while keeping the frequency measurement accuracy. Concerning molecular spectral studies, my work focuses mainly on the analysis of rotational spectra of molecules exhibiting one or two large amplitude vibration motions (LAM), and which are often of interest for remote sensing in the interstellar medium or in the planetary atmosphere. The interaction between LAMs and the rotation of the molecule makes the spectral analysis much more complicated and requires the use of specific models. These models can be separated into two groups: "local" and "global". The former considers a certain sub-group of all energy states associated with a LAM and treat them by a dedicated Hamiltonian. Seconds can handle all states by a single set of parameters. In my studies, I applied the two groups of methods to molecules with internal motions of types: torsion (typically CH3 group) or inversion (NH2 group). In the vast majority of cases, in my studies, it has been possible to reproduce the spectral data with these theoretical models at experimental precision at least for the ground vibrational state. This led to the detection of some of these molecules for the first time in the interstellar medium. My studies have highlighted the efficiency of the "global" methods but also some limitations of the theoretical models of two groups.

  • Directeur(s) de thèse : Margulès, LMaurent
  • Laboratoire : Laboratoire de physique des lasers, atomes et molécules (PhLAM)
  • École doctorale : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq)

AUTEUR

  • Motiyenko, Roman
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