Nouvelle méthode d'étude de la structure interne des atomes
Révélation de propriétés jusqu'alors inconnues de l'élément samarium
La capacité à décrire la structure interne des atomes est importante non seulement pour comprendre la composition de la matière, mais aussi pour concevoir de nouvelles expériences visant à explorer la physique fondamentale. Les expériences spécifiques nécessitent des échantillons d'atomes ou de molécules ayant des propriétés particulières, qui dépendent fortement du phénomène à explorer. Cependant, la connaissance de la structure des niveaux d'énergie de nombreux atomes reste incomplète, en particulier dans le cas des atomes de terres rares et d'actinides.
La cellule de samarium à haute température (~1040 °C) pendant l'expérience.
Razmik Aramyan
La spectroscopie est l'une des techniques les plus utilisées pour étudier la structure des atomes. Cette technique repose sur le principe selon lequel les électrons absorbent ou émettent de l'énergie lorsqu'ils se déplacent entre les niveaux d'énergie d'un atome. Chaque élément possède un ensemble unique de longueurs d'onde de lumière qui sont émises ou absorbées en raison de ces transitions. C'est ce qu'on appelle le spectre atomique.
"La spectroscopie à large bande et à haute résolution est essentielle pour les mesures de précision en physique atomique et la recherche de nouvelles interactions fondamentales", explique Razmik Aramyan, doctorant dans le groupe du professeur Dmitry Budker et principal auteur de l'article. "Mais les progrès sont souvent entravés par la difficulté de mesurer des spectres atomiques complexes, principalement en raison de deux limitations techniques : la difficulté de distinguer correctement les signaux émis par l'échantillon et la gamme limitée de longueurs d'onde que les instruments peuvent détecter". Pour surmonter ces limitations, M. Aramyan et ses collaborateurs ont appliqué et développé une méthode connue sous le nom de spectroscopie à double peigne (DCS), qui permet de mesurer des spectres atomiques sur une large bande de fréquences électromagnétiques avec une résolution et une sensibilité élevées.
La DCS est basée sur la technique des peignes de fréquences optiques, pour laquelle le prix Nobel de physique a été décerné en 2005. Les peignes de fréquences optiques sont des lasers spécialisés qui mesurent les fréquences exactes de la lumière. Dans la DCS, deux de ces peignes sont utilisés en mode cohérent, ce qui permet des mesures plus précises du spectre de l'échantillon que les méthodes conventionnelles.
Afin de détecter les signaux faibles avec une grande précision - l'un des défis de la DCS - le groupe a également mis en œuvre de multiples photodétecteurs pour améliorer ce que l'on appelle le rapport signal/bruit. Cette combinaison a permis de lire clairement les données expérimentales et de déterminer les différentes longueurs d'onde du spectre. "Cette étude introduit une approche DCS multicanal améliorée qui combine un réseau de photodétecteurs avec un nouveau schéma pour résoudre les ambiguïtés de fréquence, permettant des mesures à large bande sans ambiguïté et avec un rapport signal/bruit élevé", résume Aramyan.
Il s'agit de la première étape vers la mise en œuvre de "Spectroscopy 2.0", un projet international qui vise à développer ce que l'on appelle un "outil spectroscopique massivement parallèle" : un outil capable d'effectuer un grand nombre de mesures spectroscopiques simultanément. Cet outil sera utilisé pour effectuer la spectroscopie de spectres atomiques et moléculaires denses sous des champs magnétiques intenses.
Première application réussie : le spectre de la vapeur de samarium
La DCS est particulièrement bien adaptée pour combler les lacunes dans les données atomiques, comme le confirme la présente publication. Grâce à leur approche innovante, Aramyan et ses collègues ont pu enregistrer le spectre de la vapeur de samarium à différentes températures et analyser le comportement spectral à différentes concentrations de samarium. En comparant leurs résultats avec des ensembles de données existants, ils ont découvert des lignes spectroscopiques jusqu'alors inconnues.
"Nous avons découvert plusieurs lignes d'absorption du samarium qui n'avaient pas été décrites auparavant. Cela illustre le potentiel de notre méthode pour découvrir des propriétés atomiques jusqu'alors inconnues. Elle ouvre des perspectives prometteuses pour la spectroscopie massivement parallèle, par exemple pour la spectroscopie d'atomes dans des champs magnétiques pulsés et ultra-élevés", conclut M. Aramyan.
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