Quand des collisions ralentissent la dissipation
Publié par Adrien le 13/02/2020 à 08:00
Source: CNRS INP
En excitant un gaz avec des impulsions laser ultra-courtes, les physiciens ont montré que, même si habituellement les collisions au sein du gaz sont la cause principale de la dissipation, certaines d'entre elles peuvent la ralentir. Ce résultat a été obtenu en observant la dissipation aux temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) très courts, grâce à un phénomène d'écho d'alignement moléculaire.


Comparaison entre les constantes de temps τE d'amortissement collisionnel de l'écho d'alignement mesurés (cercles) à différents instants et les simulations numériques du modèle séculaire (tirets rouges) et non séculaire (tirets verts). Un mélange N2O-He comportant 96 % d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau...) et à une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de l'ordre de 20 fois la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.) est utilisé. Les effets non séculaires, clairement visibles en deçà de 10 ps, se moyennent à zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole...) aux temps plus longs (1 amagat = 2,68×10^25 m-3).
En haut à droite, écho d'alignement observé après les deux pics d'alignement P1 et P2 créés par deux impulsions laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme...) décalées d'une durée T. Celles-ci, de durée 100 fs et d'éclairement compris dans la gamme 2040 TW cm-2, sont délivrées par un laser titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) saphir (Le saphir est une variété gemme de corindon pouvant présenter de multiples couleurs, sauf la couleur rouge qui désigne alors uniquement le rubis. Le saphir...) amplifié émettant un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) à 800 nm à une cadence de 1 kHz.

Les molécules en rotation au sein d'un 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...) peuvent s'aligner sous l'effet 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 particules chargées électriquement.) intense comme celui d'un laser à impulsions ultracourtes. Lors de l'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...) avec le laser, des états de rotation moléculaire 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.) élevée sont excités simultanément et de façon cohérente. Des couplages existent alors entre ces états, qui conduisent à des oscillations d'un état à un autre et qui sont décrits par des termes appelés cohérences. Après extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque chose. Plus particulièrement on retrouve ce terme dans plusieurs domaines :) du laser, l'alignement moléculaire disparaît du fait des différentes vitesses de rotation des molécules, avant qu'une série de transitoires d'alignement apparaisse, produite par la remise en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) périodique des oscillations (battement). L'amortissement des transitoires renseigne sur les phénomènes de dissipation. L'approche théorique dite séculaire modélise cet amortissement en ne prenant en compte que les phénomènes efficaces à des temps beaucoup plus grands que la période des oscillations des cohérences. Si par ailleurs de nombreux travaux théoriques traitent du comportement non séculaire, aucune observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) 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 politique. En science, il s'agit d'approches de...) ni simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une...) des effets aux temps courts des collisions au sein d'un gaz n'avaient encore été réalisées.

Dans ce travail, des physiciens du Laboratoire interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) Carnot de Bourgogne (ICB, CNRS/ UTBM/Univ. de Bourgogne), du Laboratoire de météorologie (La météorologie a pour objet l'étude des phénomènes atmosphériques tels que les nuages, les précipitations ou le vent dans le but de comprendre...) dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) (LMD, CNRS/X/ENS/Sorbonne Université) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) des sciences moléculaires d'Orsay (ISMO, CNRS/Univ. Paris-Saclay), en collaboration avec des chercheurs de l'East China Normal University à Shanghai (Shanghai (chinois : 上海 ; en pinyin shànghǎi prononciation ; shanghaïen : zanhe ; littéralement...), ont utilisé un phénomène découvert dans le laboratoire dijonnais, appelé écho d'alignement, qui a l'avantage de permettre de sonder la dissipation aux temps très courts. Ils ont montré que, alors qu'aux temps longs les collisions ne contribuent qu'à un amortissement des cohérences, aux temps courts, certaines d'entre elles conduisent à des transferts entre cohérences qui s'opposent à la dissipation. Ces résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications.

Dans l'expérience, une première impulsion laser ultra-courte (100 femtosecondes) est utilisée afin d'aligner des molécules de N2O diluées au sein un gaz d'hélium. Une deuxième décalée d'une durée T de quelques picosecondes, compense la dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant l'onde ne se propagent pas...) des vitesses de rotation de telle sorte que les molécules sont à nouveau en phase, et donc à nouveau alignées, au temps 2T. L'écho qui apparaît à cet instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) est lu par une troisième impulsion (figure). L'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de cet écho reflète la dissipation liée à la décohérence des couplages entre les états de rotation qui intervient après le passage de la première impulsion. Les chercheurs ont mesuré l'amplitude de l'écho en fonction de T et de la 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 référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides et...) du gaz, c'est-à-dire de la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) des collisions. Ils ont montré que ces dernières sont d'autant moins efficaces pour amortir l'écho, et donc les cohérences, que T est court. Ce résultat a été confronté avec succès à des calculs de dynamique quantique (figure) qui ont mis en évidence des effets constructifs de transferts non séculaires entre les cohérences rotationnelles induits par les collisions.

Plus généralement, ces effets non séculaires sont attendus lors de l'interaction de tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) système quantique avec 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...). Ils interviennent par exemple dans les mécanismes réactifs liés à la vision ou à la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le...). Les résultats obtenus ici mettent à mal l'idée répandue que les interactions avec l'environnement sont purement dissipatives et procurent un support expérimental qui devrait stimuler l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) des modèles théoriques traitant des effets non séculaires tels que les équations maîtresses quantiques.

Références

Observing collisions beyond the secular approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien qu'une...) limit.
Junyang Ma, H. Zhang, B. Lavorel, F. Billard, E. Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente à...), J. Wu, C. Boulet, J.-M. Hartmann et O. Faucher, Nature Communications, le 18 décembre 2019.
DOI: 10.1038/s41467-019-13706-0.
Article disponible sur la base d'archives ouvertes arXiv.
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