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abstract: This thesis describes the studies for two groups of molecules in the gas-phase: (a) copper monofluoride (CuF) and copper hydroxide (CuOH); (b) thorium monoxide (ThO) and tungsten carbide (WC). Copper-containing molecules (Group a) are selected to investigate the ionic bonding in transition metal-containing molecules because they have a relatively simple electronic state distribution due to the nearly filled 3d-orbital. ThO and WC (Group b) are in support of particle physics for the determination of electron electric dipole moment (eEDM), de, the existence of which indicates new physics beyond the Standard Model. The determination of the tiny eEDM requires large electric fields applied to the electron. The 3(Delta)1 states for heavy polar molecules were proposed [E. R. Meyer, J. L. Bohn, and M. P. Deskevich, Phys. Rev. A 73, 062108 (2006)] to determine de with the following attractive features: (1) large electric dipole moments; (2) large internal electric fields, Eeff, experienced by valence electrons; (3) nearly degenerate omega-doublets; (4) extremely small magnetic dipole moments. The H3(Delta)1 state for ThO and the X3(Delta)1 state for WC are both good candidates. Spectroscopic parameters (i.e. molecular electric and magnetic dipole moments, omega-doubling parameters, etc) are required for the 3(Delta)1 states of ThO and WC. High resolution optical spectra (linewidth ~50 MHz) of CuF, CuOH, ThO and WC were recorded field-free and in the presence of a static electric field (or magnetic field) using laser ablation source/supersonic expansion and laser induced fluorescence (LIF) detection. The spectra were modeled by a zero-field effective Hamiltonian operator and a Stark (or Zeeman) Hamiltonian operator with various molecular parameters. The determined molecular parameters are compared to theoretical predictions. The small omega-doubling parameter was well determined using the pump/probe microwave optical double resonance (PPMODR) technique with a much higher resolution (linewidth ~60 kHz) than optical spectroscopy. In addition to the above mentioned studies of the two groups of molecules, a resonance enhanced multi-photon ionization (REMPI) combined with a time-of-flight mass spectrometer (TOFMS) has been developed to identify the molecules responsible for observed LIF signals. The operation of this spectrometer has been tested by recording the mass spectrum of Ti/O2 and the REMPI spectrum for TiO using a two-color excitation scheme. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Chemistry 2012

Étant donné la présence de spins nucléaires indiscernables dans la molécule d'eau, celle-ci est forcée d'exister sous deux formes différentes appelées isomères de spin. Ces isomères de spin, auxquels on réfère en tant que ortho et para, sont des états complètement distincts, ce qui fait que le passage d'un isomère à l'autre est formellement interdit par l'Hamiltonien moléculaire à l'ordre zéro. Ce phénomène d'isomérie de spin existe en réalité dans une vaste gamme de molécules qui possèdent des spins nucléaires identiques: H2, NH3, CH4, etc., et la conversion entre les différents états de spins de ces molécules, bien qu'elle soit en théorie interdite, est un phénomène observé expérimentalement. Encore aujourd'hui, cette conversion demeure énigmatique pour les scientifiques puisque la caractérisation des mécanismes est difficile d'un point de vue pratique. De plus, le concept d'isomère de spin, bien qu'il soit facile à définir en phase gazeuse, ne peut pas se transposer facilement aux phases condensées où l'échange chimique entre les molécules est rapide, par exemple dans l'eau liquide et la glace. En dépit de l'impossibilité d'appliquer ce concept à la glace, la communauté d'astrophysique continue d'utiliser la température de spin mesurée spectroscopiquement dans la chevelure des comètes pour extrapoler les conditions présentes au cœur où à la surface de ces comètes. Il apparait clair que la littérature sur le sujet est incomplète et que de nombreuses expériences doivent être menées en laboratoire pour fournir des réponses aux questions en suspend. Le premier volet de cette thèse est consacré à la description d'un nouvel appareil de séparation des isomères de spins de l'eau qui met à profit un effet de déflexion magnétique qui agit sur les spins nucléaires de la molécule d'eau. Grâce à une lentille magnétique à géométrie hexapolaire, l'état de spin ms=+1 de la molécule d'eau ortho (o-H2O), une fois en phase gazeuse dans un faisceau moléculaire, peut être focalisé afin d'augmenter sa concentration dans le jet. Cette technique donne accès à des enrichissements en isomère de spin o-H2O jusqu'ici inégalés et ouvre la porte à un éventail d'expériences de corrélation quantique qui permettront de mieux comprendre le comportement des isomères de spin de l'eau lors de réactions chimiques, de processus d'adsorption/désorption sur une surface où lors de la condensation à l'état solide. La conception, la construction, la fabrication et la caractérisation de ce nouvel appareil sont décrites dans cette thèse en plus des résultats expérimentaux préliminaires qui y sont présentés. La spectroscopie REMPI (2+1) (anglais: Resonance-enhanced multiphoton ionization traduction: ionisation résonante multiphotonique) couplé à une technique de spectrométrie de masse à temps de vol (TOF-MS) est utilisée pour accéder à une caractérisation des états rovibroniques de la molécule d'eau directement dans la phase gaz. La REMPI-TOF-MS permet donc de mesurer directement le ratio entre les molécules ortho et para dans la phase gaz, que ce soit directement dans un faisceau moléculaire, ou encore après l'adsorption/désorption des molécules sur une surface. Les principes fondamentaux de la spectroscopie REMPI ainsi que son application pour la caractérisation des isomères de spin de l'eau sont discutés dans cette thèse. Dans le cadre des expériences réalisées avec ce nouvel appareil, un faisceau moléculaire d'eau dilué à 10% dans l'argon a été généré par une expansion supersonique et focalisé avec la lentille magnétique. En sélectionnant la portion d'intérêt du faisceau, un OPR supérieur à 15 (94% o-H2O) a pu être mesuré dans un faisceau avec une température rotationnelle estimée à 41±5K. Les simulations de trajectoires réalisées par ordinateur ont permis d'obtenir un excellent accord avec les données expérimentales obtenues, suggérant un OPR réel beaucoup plus élevé dans le jet moléculaire. La faible quantité de p-H2O demeurant dans le faisceau est difficile à quantifier, ce qui ne permet pas de rapporter avec certitude une valeur d'OPR exacte. Le deuxième volet de cette thèse est quant à lui consacré à la technique d'isolation en matrice de gaz rare. Jusqu'à aujourd'hui, cette technique reste la seule permettant de conserver des distributions hors-équilibre d'isomères de spins de l'eau sur des échelles de temps de l'ordre de l'heure. Pour espérer faire des expériences intéressantes avec le faisceau moléculaire enrichi en o-H2O, il est important de pouvoir les conserver en laboratoire. Plus spécifiquement, une étude de confinement en matrice de gaz rare sur les isotopologues de l'eau (H216O, H217O et H218O) à basse température a été réalisée. L'interconversion des isomères de spin dans ce type de système est observée depuis longtemps déjà, mais l'interprétation physique exacte derrière ce phénomène demeure encore aujourd'hui une question ouverte. La présente étude apporte des données expérimentales sans précédent dans la littérature pour la conversion des isomères de spins de H2O à basse température dans une matrice d'argon. La dépendance des taux de conversion avec la température a été étudiée et deux régimes de conversion différents sont mis en évidence. D'abord, un régime à basse température où la conversion ortho à para procède indépendamment de la température, signe d'un phénomène non activé thermiquement et où la conversion para à ortho procède avec une barrière d'activation apparente de 23±1 cm-1. Cette barrière correspond en réalité à la différence d'énergie entre le premier niveau rotationnel para (000) et le premier niveau rotationnel ortho (101). Ensuite, un régime à haute température où les conversions ortho à para et para à ortho procèdent respectivement avec des barrières d'activation apparentes de 47±3 cm-1 et de 65±3 cm-1. Ces barrières peuvent aussi être reliées à des niveaux d'énergies rotationnels de la molécule d'eau en matrice (les états para 202 et ortho 212, ce qui permet d'identifier par le biais de quels états la conversion des isomères de spins peut avoir lieu. Les données obtenues mettent aussi en évidence le couplage entre la rotation et la translation de la molécule d'eau dans le site de confinement (appelé couplage RTC pour : rotational-translational coupling) dont le premier niveau d'énergie se situe approximativement à 68 cm-1.

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One-color resonance two-photo ionization (R2PI) spectra of mixed clusters of styrene molecule (S) with polar molecules [water (W), methanol (M), ethanol (E), and trifuoroethanol (T)] were measured through the S1←S0 transition of the styrene molecule. The spectra reveal a rapid increase in complexity with the number of polar molecules in the cluster, associated with van der Waal modes and isomeric forms. The spectral shifts of the cluster origins from the S1-S0 transition of the bare styrene molecule reflect the nature of the intermolecular interactions within the binary clusters. The obtained R2PI spectra xv were compared with the spectra of the analogous benzene containing clusters. The styrene-water and the styrene-methanol complexes exhibited very different spectral shifts and structures as compared to the benzene-water and benzene-methanol complexes, respectively. The favorable interactions of polar molecules with the olefin group of styrene may explain the strong inhibition effects of exerted by small concentrations of water and alcohols on the cationic polymerization of styrene. Size-specified intracluster proton transfer reactions were observed for mixed clusters of styrene dimer with water, methanol and ethanol molecules. It was proposed that the polar molecules tend to aggregate around the olefin center, which promotes the transfer of the charge from the propagating chain to the hydrogen-bonded polar molecules subcluster. The minimum number of polar molecules required for a proton transfer to take place exothermically depends on the proton affinity of the polar molecules subcluster. The estimated upper limit value for the proton affinity of styrene dimer radical was evaluated based on the energetic of the proton transfer reaction to be ≤ 220.4 kcal/mol. No intracluster reaction was observed for styrene-trifluoroethanol (STn) system. In order to provide a comparison between the styrene and benzene systems, the benzene-ethanol (BEn) and benzene-trifluoroethanol (BTn) clusters were studied by using the R2PI technique via the 6¹0 transition of the benzene molecule. Both dissociative electron transfer and dissociative proton transfer reactions were observed within the BEn clusters, where n = 2 and 3, respectively. Proton transfer reactions were observed following dissociative electron transfer reactions within the (BTn) clusters, where n = 4, to generate the protonated clusters (H+Tn).

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A new instrument using a time-of-flight (TOF) mass filter (MF) for resonance enhanced multiphoton ionization (REMPI) studies of gas phase molecules was developed. This instrument was designed to make use of the selectivity of the REMPI process and the sensitivity of a TOF-MF with a microchannel plate detector. A pulsed valve inlet system was tested to determine its effectiveness in “cooling” molecules but it was not used for the bulk of the studies performed. The instrument was tested using molecular and atomic bromine, atomic carbon, and atomic iodine. The atomic bromine, carbon, and iodine, were generated by the photodissociation of molecular bromine, hydrocarbons, and methyl iodide respectively. Nitrogen gas in air was used to test the pulsed valve system. The instrument was then used to conduct REMPI studies of five dichlorotoluene (DCT) isomers (2,4-DCT; 2,5-DCT; 3,4-DCT; 2,6-DCT; and 2,3-DCT). REMPI studies of six dichloroaniline (DCA) isomers, including 2,5-DCA; 3,4-DCA; 3,5-DCA; 2,6-DCA; 2,4-DCA; and 2,3-DCA were conducted. Six isomers of dichlorophenol (DCP) were studied (2,5-DCP; 3,4-DCP; 3,5-DCP; 2,3-DCP; 2,4-DCP; and 2,6-DCP). It was determined that the 2,3-DCP; 2,4-DCP; and 2,6-DCP isomers photodissociated to form CCl, which itself could be observed through a REMPI process. The results from the REMPI studies of the dichloroaromatics and data from previous ultraviolet, infrared, and RAMAN studies of these molecules was used in order to assign the observed peaks. The observed 0,0 π→π* transition energies of the dichloroaromatics studied were used along with ultraviolet 0,0 π→π* transition energies from previous works in order to discuss substituent effects. A qualitative method of predicting the relative location of 0,0 π→π* transition energies of dichloroaromatics was developed.

La spectroscopie ro-vibrationelle de haute résolution de l’ion moleculaire H2+ par REMPD requiert une source sélective en état interne. Dans cette thèse nous présentons notre travail de conception et de réalisation d’une telle source utilisant la photo-ionisation multiphotonique résonante (REMPI) de H2 à l’aide d’un laser pulsé à 303 nm.Dans un deuxième temps nous présentons nos simulations numériques de refroidissement sympathique dans un piège de Paul linéaire, avec pour application principale le projet GBAR qui implique le refroidissement sympathique d’un ion d’antimatière H̄+ par des ions Be+ refroidis par laser. Nous avons dévelopé un code GPU utilisant un pas de temps variable permettant de décrire les interactions coulombiennes de façon efficace. Nous discutons de l’influence du chauffage RF et de lois d’échelles entre le temps de capture, l’énergie initiale et le nombre d’ions dans le cristal. Nous montrons que le refroidissement sympathique de H̄ requis pour GBAR pourrait fonctionner avec un cristal dissymétrique de Be+/HD+ qui semble plus efficace que le Be+ seul. Nous montrons qu’avec un tel cristal la capture du H̄+ pourrait être détectée expérimentalement par analyse de Fourier des données de fluorescence. / The high-resolution ro-vibrational spectroscopy of the H2+ molecular ion by resonance-enhanced multiphoton dissociation (REMPD) requires a state-selective source of H2+. In this thesis we present work on a functional state selective H2+ ion source using resonance enhanced multiphoton ionisation (REMPI) with a 303 nm pulsed laser.The second part of the thesis presents numerical simulations of sympathetic cooling in linear RF traps, whose main application is the GBAR project (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) which involves sympathetic cooling of an antimatter H̄+ ion by laser-cooled Be+ ions. We developed a GPU code using a variable timestep technique enabling a fast description of Coulomb interactions. We discuss the influence of RF heating and scaling laws between cooling times, initial energy and ion numbers in the cooling crystal. We show that the H̄ sympathetic cooling step of GBAR could be feasible using a rotationally asymmetric two-component Be+/HD+ crystal which appears more effective than a single-component Be+ crystal. We find that the H̄+ ion’s capture by this crystal could be detected experimentally by Fourier analysis of the fluorescence data.