Lorsqu'ils sont soumis à des pulses laser courts et intenses, des atomes peuvent perdre des électrons. Plusieurs canaux sont impliqués dans la double ionisation, comme la NSDI et le scénario associé de la recollision. La recollision est maintenant vue comme la “pierre d'angle de la physique en champ fort” pour les éclairages qu'elle donne dans l'organisation de la matière et en ce qu'elle constitue l'une des manifestations les plus flagrantes de la corrélation électron-électron dans la nature. Dans ce manuscrit, une analyse théorique des mécanismes de double ionisation est menée en utilisant la mécanique classique. Cette description complémente les modèles quantiques en observant la dynamique depuis un cadre de travail différent et avec l'éclairage de la dynamique nonlinéaire. L'analyse, menée dans l'espace des phases, permet l'identification des structures organisatrices qui régulent les différents mécanismes d'ionisation. Pour des champs laser polarisés linéairement, le mécanisme de la recollision est complété par l'image de l'électron interne. L'électron interne donne accès à une description fine de la dynamique de recollision et explique les différentes routes pour la double ionisation. Il permet également de faire des prédictions telles que l'intensité du coude dans la probabilité de double ionisation et explique complètement la RESI. En polarisation circulaire, il est communément cru que la recollision n'est pas possible, en dépit de résultats expérimentaux contradictoires. En fait, l'analyse de l'espace des phases montre que la recollision est possible mais pas accessible à tous les atomes, réconciliant par conséquent les contradictions expérimentales précédentes. / When subjected to strong and short laser pulses, atoms may lose electrons. Several ionization channels are involved in such double ionization events, like nonsequential double ionization (NSDI) and its associated recollision scenario. Recollision is now seen as the “keystone of strong field physics”, for its insights into the organization of matter, and is one of the most dramatic manifestations of electron-electron correlation in nature. In this manuscript a theoretical analysis of the double ionization mechanisms is carried out using classical mechanics. This description complements quantum treatments by observing the dynamics from a different framework, with the light of nonlinear dynamics, as both frameworks exhibit the main ingredient, i.e., strong electron-electron correlation. The analysis, carried out in phase space (e.g., through reduced models) enables the identification of the organizing structures that regulate the ionization channels. For linearly polarized lasers, the recollision mechanism is completed by the picture of the “inner” electron. The inner electron gives access to a fine description of the recollision dynamics and explains the routes to double ionization. It also enables verifiable predictions such as the location of the characteristic knee shape in the double ionization yield versus laser intensity and fully explains delayed ionizations like RESI. For circular polarization, it is commonly believed that recollision is not possible, despite apparently contradictory experimental results. In fact, the phase space analysis shows that recollision is possible but not accessible to all atoms, thus reconciling the previous experimental results.

Dans ce travail, différents mécanismes conduisant à la double ionisation de plusieurs cibles atomiques ou moléculaires par impact d’électrons d’énergie incidente moyenne (600-700 eV) sont étudiés par des expériences de coïncidence dites (e, 3-1e) et (e, 3e). Dans ces expériences, les sections efficaces quadruplement et quintuplement différentielles en angles et en énergies ont été mesurées et analysées dans une géométrie coplanaire. Les résultats expérimentaux sont comparés à ceux obtenus par des calculs théoriques utilisant des modèles aussi bien du premier ordre que du second ordre. La comparaison montre que les théories incluant les mécanismes de second ordre (tel que Two Step 2, TS2) sont en meilleur accord avec l’expérience que ceux incluant uniquement les mécanismes de premier ordre (tels que Shake Off et Two Step 1). Ceci démontre que, dans nos conditions cinématiques, les mécanismes de second ordre jouent un rôle important, voire même dominant par rapport aux mécanismes de premier ordre. Par ailleurs, l’ensemble de nos résultats de double ionisation sont compares aux prédictions d’un modèle ‘TS2-cinématique’ développé par Lahmam-Bennani et al (2010), et qui consiste à considérer le processus de double ionisation comme deux événements successifs de simple ionisation (e,2e). La plupart des structures observées dans les distributions angulaires des électrons éjectés ont pu être interprétées et expliquées par ce modèle ‘TS2-cinématique’. Nous avons également étendu ce modèle en tenant compte de la contribution de la diffusion de recul dans chacune des étapes (e,2e). Certaines structures qui étaient restées inexpliquées par « l’ancien » modèle le sont maintenant par le modèle ‘TS2-cinématique’ étendu. L’influence de la structure atomique versus moléculaire de la cible dans le processus de double ionisation a fait l’objet d’une étude préliminaire. Les résultats (e, 3-1e) des cibles iso électroniques Ne et CH₄ montrent certaines différences pour les mêmes conditions cinématiques. L’analyse plus approfondie de ces données est en cours. / In this work, different double ionization (DI) mechanisms of various atomic and molecular targets by electron impact at different intermediate incident energies have been studied by so-called (e, 3-1e) and (e, 3e) experiments. Four and five fold differential cross sections in angle and in energy have been measured and analyzed in a coplanar geometry. The experimental measurements are compared with both first order and second order theoretical model calculations. The results shows that the theories including second order mechanism (such as Two Step 2, TS2) are generally in better agreement with the experimental data than these only including first order mechanisms (such as Shake Off and Two Step 1). This demonstrates that under present kinematics, second order mechanism plays an important role or even dominates over first order mechanisms. Besides, all DI results are compared with the predictions of TS2 kinematical analysis developed by Lahmam-Bennani et al (2010). Most of the structures shown in the measured angular distribution can be correctly explained by the TS2 kinematical analysis predictions. Besides, we extend this model by including the recoil contribution in each step. Some structures which cannot be explained by the previous model are well explained by the extended TS2 kinematical model. The isoelectronic target structure influence in DI is investigated preliminarily. The (e, 3-1e) results on Ne and CH₄ indicate the differences under same kinematics. The data analysis is underway.

Aqueous solutions were studied using photoelectron and Auger spectroscopy, based on synchrotron radiation and a liquid micro-jet setup. By varying the photon energy in photoelectron spectra, we depth profiled an aqueous tetrabutylammonium iodide (TBAI) solution. Assuming uniform angular emission from the core levels, we found that the TBA+ ions were oriented at the surface with the hydrophobic butyl arms sticking into the liquid. We investigated the association between ions and their neighbors in aqueous solutions by studying the electronic decay after core ionization. The (2p)−1 decay of solvated K+ and Ca2+ ions was studied. The main features in the investigated decay spectra corresponded to two-hole final states localized on the ions. The spectra also showed additional features, related to delocalized two-hole final states with vacancies on a cation and a neighboring water molecule. These two processes compete, and by comparing relative intensities and using the known rate for the localized decay, we determined the time-scale for the delocalized process for the two ions. We compared to delocalized electronic decay processes in Na+, Mg2+, and Al3+, and found that they were slower in K+ and Ca2+, due to different internal decay mechanisms of the ions, as well as external differences in the ion-solute distances and interactions. In the O 1s Auger spectra of aqueous metal halide solutions, we observed features related to delocalized two-hole final states with vacancies on a water molecule and a neighboring solvated anion. The relative intensity of these feature indicated that the strength of the interaction between the halide ions and water correlated with ionic size. The delocalized decay was also used to investigate contact ion pair formation in high concentrated potassium halide solutions, but no concrete evidence of contact ion pairs was observed. / Felaktigt tryckt som Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 726

Les méthodes perturbatives, telle que l’approximation de Born, sont nécessaires pour résoudre les problèmes inhérents à l’ionisation d’atomes et de molécules par impact d’électrons ou de positrons. Afin d’optimiser les calculs nécessaires pour le second terme de l’approximation de Born, nous avons commencé par étudier l’ionisation de l’atome le plus simple : celui d’hydrogène. Nous avons utilisé une base contenant un grand nombre d’états (294) nous permettant d’éviter la relation de fermeture qui nécessite l’introduction d’un paramètre qui représente la valeur moyenne d’excitation. Nos résultats ont montré un bon accord avec l’expérience surtout pour les faibles énergies des électrons éjectés. Nous avons ainsi pu montrer l’importance de la contribution des états du continuum (représentés par des pseudo-états), en particulier pour les transitions de type dipolaire. Pour la double ionisation de l’atome d’hélium, nous avons appliqué la même méthodologie de calcul numérique complet tout en incluant 20 états et pseudo-états intermédiaires et en utilisant une fonction d’onde corrélée d’interaction de configuration, on a trouvé pour les grandes énergies d’incidence (5 keV) que l’effet du terme Born 2 est presque nul. Par contre l’application de « SBA » avec la relation de fermeture pour l’état fondamental et les premiers états excités montre une petite différence avec « FBA » en particulier en dehors de la région du transfert. Dans le cas des faibles énergies d’incidence (601 eV) il était attendu d’obtenir un effet important de « SBA » surtout que des études sur les (e,3-1e) de l’hélium montrent un déplacement du pic principal par rapport à « FBA ». Donc on peut dire que les 20 états intermédiaires contribuent de façon insuffisante et qu’il faudra considérer beaucoup plus d’états / The perturbative methods, such as Born approximation, are necessary to solve the problems concerning the ionization of atoms and molecules by electrons or positrons impacts. In order to use Born approximation in an optimized way, we tested it on the simplest atom « Hydrogen » by using a basis of large amount of intermediate states (294) and complete numerical calculation without using the closure approximation whose application needs the introduction of a parameter which is the excitation mean value. Our results proved a significant agreement with the experiment particularly for small energies of the ejected electrons. We also proved an important contribution of the continuum (represented by the pseudo-states), and particularly the dipolar transition. For the double ionization of Helium atom, we applied the same methodology of complete calculation by including 20 intermediate states and pseudo-states and by using a configuration interaction wave function, we found that for high incident energy (5 keV) the effect of the second term of Born is almost zero. However, the application of the « SBA » with the closure approximation by using the fundamental state and the first excited states show a slight difference relative to the « FBA » particularly outside the transfer region. In case of low incident energy (601 eV), it was expected a crucial effect of the « SBA » especially that previous studies of (e, 3-1e) of Helium show a significant shift of the main peak relative to the « FBA ». So we can say that 20 intermediate states are not enough and the application of the « SBA » needs more states