Une percée dans le refroidissement par laser : piégeage d'une molécule stable à l'aide d'une lumière ultraviolette profonde
Le défi du piégeage des molécules chimiquement stables
Des chercheurs du département de physique moléculaire de l'Institut Fritz Haber ont mis en évidence le premier piège magnéto-optique d'une molécule stable à "coquille fermée" : le monofluorure d'aluminium (AlF). Ils ont pu refroidir l'AlF à l'aide de lasers et le piéger sélectivement dans trois niveaux quantiques de rotation différents, ce qui constitue une nouvelle avancée dans le domaine de la physique ultrafroide. Leurs expériences ouvrent la voie à la spectroscopie de précision et à la simulation quantique avec l'AlF.
Le dispositif expérimental : Piège magnéto-optique pour le refroidissement par laser du monofluorure d'aluminium (AlF)
© FHI
La physique ultrafroide : une porte d'entrée dans la mécanique quantique
Le refroidissement de la matière à des températures proches du zéro absolu (0 K, -273,15 °C) agit comme un microscope pour le comportement de la mécanique quantique, mettant en évidence des phénomènes physiques qui sont normalement flous. Parmi les exemples historiques classiques, citons la découverte en 1911 de la supraconductivité dans le mercure métallique refroidi à une température proche de 4 K et le comportement thermique anormal de l'hydrogène moléculaire dû à ses états de spin "ortho" et "para". Ces phénomènes ont déconcerté les théories de la physique classique de l'époque, entraînant à la fois l'évolution de la mécanique quantique et les efforts pour atteindre des températures toujours plus basses.
Après l'invention du laser, les physiciens ont réalisé que les cycles de refroidissement pouvaient être mis en œuvre par l'interaction de la matière avec la lumière. L'effet d'une particule de lumière individuelle (un "photon") est minuscule, mais lorsqu'il est accumulé plusieurs milliers de fois dans un cycle, le refroidissement par laser devient extrêmement puissant : les températures ultimes atteintes peuvent être de l'ordre d'un millième à un millionième de degré au-dessus de zéro Kelvin (10-3 - 10-6 K). C'est ce que l'on appelle généralement le régime ultrafroid.
Le piégeage magnéto-optique
Depuis près de 40 ans, il est possible de préparer des atomes neutres ultrafroids dans des "pièges magnéto-optiques". Dans ces pièges, plusieurs faisceaux laser se combinent à un champ magnétique bien choisi pour confiner les particules et les refroidir à environ un millième de degré au-dessus de la température du zéro absolu. Cette technique clé a par exemple permis d'obtenir les horloges atomiques optiques actuelles, des prototypes d'ordinateurs quantiques et de simulateurs à base d'atomes, ainsi que l'observation de nouvelles phases de la matière.
Il y a un peu plus de dix ans, des chercheurs ont réussi à refroidir par laser et à piéger une molécule diatomique - le composé chimique le plus simple qui soit, mais dont la structure énergétique est déjà beaucoup plus complexe que celle d'un atome. Bien qu'il y ait de fortes motivations pour amener les molécules dans le régime ultrafroid, cette complexité représente un défi considérable. Jusqu'à présent, seule une poignée de molécules réactives avec des électrons non appariés (souvent appelées espèces "spin-doublet") ont été chargées dans des pièges magnéto-optiques.
Le défi de piéger des molécules chimiquement stables
Dans cette étude, l'équipe de recherche du département de physique moléculaire présente des expériences qui pourraient révolutionner la physique avec des molécules ultrafroides : Ils démontrent le premier piège magnéto-optique d'une molécule "spin-singlet", le monofluorure d'aluminium (AlF). L'AlF possède une liaison chimique extrêmement forte qui, combinée à d'autres propriétés, le rend chimiquement inerte par rapport à toutes les autres molécules refroidies par laser. Grâce à ses propriétés, il est plus facile de le produire avec une grande efficacité en laboratoire et il est peu probable qu'il se perde dans des expériences ultrafroides à cause de réactions chimiques.
Mais pourquoi cette étape révolutionnaire n'est-elle franchie que maintenant ? Les molécules qui nécessitent beaucoup d'énergie pour être déchirées ont également tendance à présenter des écarts d'énergie très importants entre leurs états électroniques. Par conséquent, les longueurs d'onde laser requises pour le refroidissement sont de plus en plus éloignées de l'ultraviolet, ce qui accroît considérablement les difficultés expérimentales. Le refroidissement de l'AlF a nécessité quatre systèmes laser, chacun ayant une longueur d'onde proche de 227,5 nm. Cette longueur d'onde se situe loin dans la partie "ultraviolet profond" du spectre, et c'est la plus courte longueur d'onde utilisée jusqu'à présent pour piéger un atome ou une molécule. Le piégeage de l'AlF a nécessité de nouvelles innovations en matière de technologie laser et d'optique, pour lesquelles une collaboration étroite entre l'industrie et le monde universitaire a été essentielle.
La configuration électronique est importante
Ce n'est pas seulement sa stabilité chimique qui rend l'AlF si prometteur pour la science quantique. Un autre aspect unique de l'expérience est que l'AlF peut être refroidi par laser et piégé dans plusieurs niveaux quantiques de rotation. L'équipe du FHI a pu passer d'un niveau de rotation à l'autre dans le piège, en réglant simplement les longueurs d'onde du laser utilisé, et s'attend à ce que des niveaux de rotation plus élevés puissent être piégés avec des sources moléculaires différentes de celles actuellement utilisées. Cette caractéristique distingue l'AlF des autres molécules refroidies par laser produites à ce jour : pour ces molécules, un seul niveau de rotation a été refroidi et piégé, et l'extension à d'autres niveaux de rotation est beaucoup plus difficile.
"Le rêve pour nous serait de piéger AlF à partir d'une source de vapeur compacte et peu coûteuse, similaire à celle utilisée pour les atomes alcalins", explique Sid Wright, qui a rejoint le projet AlF en 2020 et dirige actuellement l'équipe FHI. "Lors des premières expériences, nous avons constaté que l'AlF peut survivre aux collisions avec les parois du vide à température ambiante - et même se thermaliser - ce qui est très prometteur."
Un long voyage en laboratoire pour des résultats prometteurs
Il a fallu près de huit ans de travail acharné en laboratoire pour parvenir à ce résultat : d'abord une étude détaillée des propriétés spectroscopiques de l'AlF, puis le développement et l'essai de la technologie UV profond pour le piège, et enfin le ralentissement par laser et le piégeage magnéto-optique proprement dit. "Il s'est agi d'un énorme travail d'équipe, et nos résultats sont dus à plusieurs égards au fantastique environnement de recherche, au soutien technique et aux ressources du département de physique moléculaire", déclare Eduardo Padilla, l'étudiant diplômé responsable du projet.
Les résultats récents élargissent les possibilités de la physique moléculaire ultrafroide, et l'AlF refroidi par laser permettra probablement de nouvelles mesures de précision et un contrôle quantique des molécules. Un aspect particulièrement intéressant de l'AlF est la présence d'un état électronique "métastable" de longue durée, pour lequel les spins des électrons se combinent pour former ce que l'on appelle un "triplet de spin". L'état métastable peut être atteint à partir de l'état fondamental par une autre transition ultraviolette, ce qui ouvre la voie à des températures encore plus froides.
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Publication originale
J. E. Padilla-Castillo, J. Cai, P. Agarwal, P. Kukreja, R. Thomas, B. G. Sartakov, S. Truppe, G. Meijer, and S. C. Wright; Magneto-optical trapping of aluminum monofluoride; Phys. Rev. Lett. - Accepted 17 October, 2025
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