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Posté par Redbran le Mercredi 25/01/2017 à 12:00
Un gaz de molécules ultra-froides avec un moment dipolaire record
Des physiciens viennent d’obtenir pour la première fois un gaz ultra-froid de molécules en faisant réagir du sodium avec du rubidium. C’est le calcul théorique de la position des niveaux d’énergie de la molécule obtenue, NaRb, qui a permis de déterminer le schéma laser optimal pour cette synthèse.

Les chercheurs savent aujourd’hui créer des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un...) ultra-froids de molécules en combinant des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) d’espèces différentes provenant de deux nuages d’atomes froids. L’organisation (Une organisation est) des molécules au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier...) d’un tel gaz est gouvernée par les effets quantiques et, en premier lieu, par une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) à longue distance: l’interaction dipôle-dipôle (1). Un réseau optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) à trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) dans lequel de telles molécules seraient piégées et dont les dipôles seraient alignés le long d’un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique représenterait un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la...) idéal pour des expériences de simulation quantique. Pour cela, les chercheurs doivent concilier deux impératifs. Trouver quelles molécules sont susceptibles d’interagir le plus fortement possible et, pour celles-ci, déterminer les fréquences des lasers qui seront utilisés pour conduire efficacement ces molécules dans leur état fondamental stable une fois que les atomes sont associés. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) ceci nécessite une connaissance très fine des états de la molécule et des transitions accessibles par laser. Plusieurs couples d’atomes de la famille « sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux...) (Na), potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de l’arabe : القَلْيَه al-qalyah) et de numéro atomique 19.) (K), rubidium (Rb), césium (Cs) » sont dans la course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.): NaK, KRb, RbCs ou NaRb. Ce dernier a été choisi par la collaboration entre une équipe de théoriciens du Laboratoire Aimé Cotton (LAC, CNRS/UPSud/Univ. Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la...) Saclay/ENS Paris-Saclay) et une équipe expérimentale de l’Université chinoise de Hong Kong (Devise nationale : Sapientia et Virtus) (CUHK).


Un moment dipolaire permanent de 1 Debye a été mesuré par des techniques de spectroscopie sous champ électrique. Ainsi, les chercheurs ont obtenu par une collaboration théorie-expérience un gaz ultra-froid de NaRb: la molécule ultra-froide la plus dipolaire jusqu’à présent.
© Equipe Théomol, Laboratoire Aimé Cotton
Une modélisation numérique fine des niveaux d’énergie de la molécule NaRb par l’équipe théorique THEOMOL du LAC (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il suffit que la profondeur, la superficie, ou le volume soit suffisant pour provoquer une stratification, une zonation, ou une...) a permis de proposer un schéma qui maximise la création de molécules dans leur état fondamental grâce au dispositif expérimental de l’équipe de CUHK. Les chercheurs ont ainsi obtenu un gaz ultra-froid de molécules NaRb avec un moment dipolaire record de 1 Debye, soit deux fois plus grand que les expériences précédentes, à une température de l’ordre de 700 nanokelvins. C’est aujourd’hui le gaz ultra-froid de molécules avec le moment dipolaire le plus élevé, ce qui est crucial pour la détection des effets des interactions dipôle-dipôle. Leur expérience a en outre mis en évidence un obstacle inattendu: malgré leur stabilité chimique prévue, un processus encore inexpliqué conduit à une perte importante de molécules à l’état fondamental. Parmi les hypothèses explorées figure la formation transitoire de complexes (NaRb)2 qui s’échapperaient spontanément de la zone de piégeage. De telles observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) sont précieuses pour l’ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) des groupes travaillant dans le domaine car elles permettent d’approfondir les processus de formation et de stabilité de ces gaz ultra-froids. Ce travail est paru dans Physical Review Letters.

La méthode expérimentale utilisée par la collaboration comporte trois étapes majeures: la création simultanée de deux nuages d’atomes ultra-froids de Na et Rb piégés par un champ laser au même endroit ; l’association de paires d’atomes en molécules dans un même niveau très faiblement lié, contrôlée par un champ magnétique ajustable ; le transfert – dit adiabatique (En thermodynamique, une transformation est dite adiabatique (du grec adiabatos, « qui ne peut être traversé ») si elle est effectuée sans qu'aucun échange de chaleur n'intervienne entre le...) – de la population de ce niveau vers le niveau fondamental absolu des molécules NaRb par une séquence de deux impulsions lasers synchronisées pour optimiser son efficacité. Le choix des paramètres de ces lasers est critique et ne peut être déterminé que par une connaissance très détaillée de la structure des niveaux d’énergie moléculaires. La simplicité de la molécule NaRb – et des molécules de la même famille – n’est qu’apparente, et cela reste un défi pour les méthodes avancées de calcul de structure électronique, auxquelles doivent être adjointes des techniques de spectroscopie moléculaire. C’est ce qui fait l’originalité de cette collaboration internationale.

Note:
(1) Un gaz ultra-froid constitue un système aux propriétés extrêmes: sa densité est un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et...) de fois plus faible que celle de l’atmosphère terrestre, sa température avoisine le zéro absolu à quelques dizaines de nanokelvins, et les particules qui le composent interagissent à des distances mille fois plus grande que leur taille. En présence d’un champ électrique, des molécules formées de deux atomes alcalins différents acquièrent un moment dipolaire électrique suffisamment fort pour que la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) du gaz ultra-froid soit dominée par l’interaction électrostatique entre les dipôles électriques de ces molécules: une interaction à grande distance, contrôlable par le champ.


Référence publication:
Creation of an Ultracold Gas of Ground-State Dipolar NaRb Molecules
Mingyang Guo, Bing Zhu, Bo Lu, Xin Ye, Fudong Wang, Romain Vexiau, Nadia Bouloufa-Maafa, Goulven Quéméner, Olivier Dulieu et Dajun Wang
Physical Review Letters (2016), doi:10.1103/PhysRevLett.116.205303

Contacts chercheurs:
Romain Vexiau, chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public...)
Nadia Bouloufa-Maafa, maître de conférences
Goulven Quéméner, chargé de recherche CNRS
Olivier Dulieu, directeur de recherche CNRS

Informations complémentaires:
Laboratoire Aimé Cotton (LAC, CNRS/UPSud/Univ. Paris Saclay/ENS Paris-Saclay)

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Source: CNRS-INP