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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...) 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...) 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 celle des...) 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...) à longue distance: l'interaction dipôle-dipôle (1). Un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet),...) 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...) dans lequel de telles molécules seraient piégées et dont les dipôles seraient alignés le long d'un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des...) 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 vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à...) idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la divisibilité pour les...) 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 (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états fondamentaux est un état excité.) 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 (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) 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 métaux alcalins. On ne le trouve pas à...) (Na), potassium (K), rubidium (Rb), césium (Le césium est un élément chimique de symbole Cs et de numéro atomique 55.) (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 (Aimé Auguste Cotton est un physicien, né à Bourg-en-Bresse en 1869, et mort à Sèvres en 1951. Il est le frère du mathématicien et académicien Émile Cotton ; son grand père était directeur de l’École normale d’instituteur de Bourg...) (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 Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la Seine...) Saclay/ENS Paris-Saclay) et une équipe expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et...) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) 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 (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et...) fine des niveaux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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...) 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) 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 tout », comme...) 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 (Une des bases de la démarche scientifique est l'expérimentation, c'est-à-dire le recueil de données sur le domaine d'étude, et la confrontation du modèle aux faits.) 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 (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...) 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...) – 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 (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) 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 qui précède un million un (1 000 001). Il vaut un...) de fois plus faible que celle de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) terrestre, sa température avoisine le zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide...) 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 (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) 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 métonymique, la...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)
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