Les agrégats sont des ensembles de quelques, jusqu'à plusieurs millions d'atomes en phase condensée, et de taille finie nanométrique. Etudier leurs propriétés en fonction de leur taille croissante est parfois présenté comme un moyen de construire un monde condensé macroscopique à partir d’un gaz. Ceci apparaît souvent comme exagérément réducteur, car le comportement statique et dynamique des agrégats est souvent sans contrepartie macroscopique, puisque contrôlé par leur surface très importante et leur taille finie. Il s’agit alors de physico-chimie du monde mésoscopique, comme l’illustre cette étude expérimentale récente menée par une équipe du DRECAM/SPAM-Laboratoire Francis Perrin en collaboration avec une équipe de théoriciens de l’Université Paris VI.

Une impulsion laser femtoseconde, d’intensité intermédiaire (≈10¹³  W cm^-2), focalisée sur un agrégat formé de plusieurs centaines d’atomes d’argon (Ar_N, N étant le nombre d'atomes de l'agrégat) peut conduire à son explosion. Une des voies originale de réaction qui vient d'être identifiée consiste en la formation initiale de deux ions positifs très proches, dont la répulsion coulombienne fait exploser l’agrégat. Il en résulte la formation de deux petits agrégats ioniques dissymétriques : un petit constitué de 1 à 4 atomes et un plus gros pouvant comporter plusieurs dizaines d’atomes. La distribution de vitesse des fragments montre que le mécanisme de formation des deux charges passe par une excitation initiale, au cours de l’interaction agrégat-laser, vers un état ionique fortement excité électroniquement dont la relaxation induit l’ionisation d'un atome très voisin. Les deux charges sont ensuite expulsées entrainant les atomes voisins, formant ainsi les deux agrégats ioniques. Ce résultat est a priori très surprenant car le phénomène observé impose à l’énergie initiale d’être fortement localisée. La dissociation observée ne correspond nullement à celui d’un solide ou d’un liquide avec une répartition statistique de l’excès d’énergie conduisant à une évaporation progressive de l’agrégat, mais à une fission brutale.

Figure ci-contre : Répartition des vitesses et des quantités ions Ar₁₅⁺ expulsés à partir d’agrégat d’environ 750 atomes après irradiation par un laser femtoseconde. R est proportionnel à la vitesse des ions émis dans la direction θ par rapport à la direction de polarisation du laser. Les trois anneaux de cette figure montre que les ions Ar₁₅⁺ sont distribués de façon isotrope et qu’ils possèdent trois classes de vitesse nettement distinctes les unes des autres, correspondant à l'énergie de recul du second fragment formé Ar⁺ à Ar₃⁺. Le spot central correspond à l’ionisation simple des agrégats.

Référence :
Low field laser ionization of argon clusters: the remarkable fragmentation dynamics of doubly ionized clusters,
L. Poisson, K. D. Raffael, M.-A. Gaveau, B. Soep, J.-M. Mestdagh, J. Caillat, R. Taïeb, and A. Maquet, Phys. Rev. Lett. 99, 103401 (2007).