Des chercheurs du Département de physique moléculaire de l'Institut Fritz Haber ont démontré le premier piège magnéto-optique d'une molécule stable à « coque fermée » : le monofluorure d'aluminium (AlF). Ils ont réussi à refroidir AlF avec des lasers et à le piéger sélectivement dans trois niveaux quantiques de rotation différents, ouvrant ainsi de nouvelles voies dans la physique ultra-froide.
Leurs expériences ouvrent la porte à une spectroscopie de précision avancée et à une simulation quantique avec AlF. L'ouvrage a été accepté pour publication dans Lettres d'examen physique et est actuellement disponible sur arXiv serveur de préimpression.
Refroidir 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 au point une physique qui est normalement floue. Les exemples historiques classiques incluent la découverte en 1911 de la supraconductivité dans le mercure métallique refroidi à près de 4 K et le comportement thermique anormal de l'hydrogène moléculaire en raison de ses états de spin « ortho » et « para ». Ces phénomènes ont perturbé les théories physiques classiques de l’époque, entraînant à la fois l’évolution de la mécanique quantique et les efforts visant à atteindre des températures toujours plus basses.
Suite à l’invention du laser, les physiciens ont réalisé que des cycles de refroidissement pouvaient être mis en œuvre via l’interaction de la matière avec la lumière. L'effet d'une particule de lumière individuelle (un « photon ») est infime, mais lorsqu'il est accumulé plusieurs milliers de fois au cours d'un cycle, le refroidissement du laser devient extrêmement puissant : les températures finales atteintes peuvent être d'environ un millième à un millionième de degré au-dessus de zéro Kelvin (10-3—10-6 K). C’est ce qu’on appelle généralement le régime ultra-froid.
Piégeage magnéto-optique
Depuis près de 40 ans maintenant, il est possible de préparer des atomes neutres ultrafroids dans des « pièges magnéto-optiques ». Ici, plusieurs faisceaux laser de piégeage se combinent à un champ magnétique correctement choisi pour confiner les particules et les refroidir à environ un millième de degré au-dessus du zéro absolu. Cette technique clé a, par exemple, conduit aux horloges atomiques optiques d'aujourd'hui, aux prototypes d'ordinateurs et de simulateurs quantiques basés sur des atomes, ainsi qu'à l'observation de nouvelles phases de la matière.
Il y a un peu plus de 10 ans, des chercheurs ont réussi à refroidir par laser et à piéger une molécule diatomique, le composé chimique le plus simple possible, mais déjà doté d'une structure énergétique beaucoup plus complexe qu'un atome. Bien qu’il existe de fortes motivations pour amener les molécules dans le régime ultra-froid, cette complexité présente un défi considérable. Jusqu'à présent, seule une poignée de molécules réactives contenant des électrons non appariés (souvent appelés espèces « doublet de spin ») ont été chargées dans des pièges magnéto-optiques.
Le défi du piégeage de molécules chimiquement stables
Dans leur présente étude, l'équipe de recherche du Département de physique moléculaire présente des expériences qui pourraient révolutionner la physique avec des molécules ultra-froides : elles démontrent le premier piège magnéto-optique d'une molécule « à spin-singulet », le monofluorure d'aluminium (AlF). AlF possède une liaison chimique extrêmement forte qui, en combinaison avec 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 à produire avec une grande efficacité en laboratoire et il est peu probable qu'il soit perdu dans des expériences ultra-froides via des réactions chimiques.
Mais pourquoi cette mesure révolutionnaire n’est-elle prise que maintenant ? Les molécules nécessitant beaucoup d’énergie pour être déchirées ont également tendance à avoir de très grands écarts énergétiques entre leurs états électroniques. En conséquence, les longueurs d’onde laser nécessaires au refroidissement sont poussées de plus en plus loin dans l’ultraviolet, ce qui augmente considérablement les défis expérimentaux.
Le refroidissement de l'AlF nécessitait quatre systèmes laser, chacun avec une longueur d'onde proche de 227,5 nm. C'est loin dans la partie « ultraviolette profonde » du spectre et la longueur d'onde la plus courte 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 forte collaboration entre l’industrie et le monde universitaire s’est avérée essentielle.
La configuration électronique est importante
Ce n’est pas seulement sa stabilité chimique qui rend AlF si prometteur pour la science quantique. Un autre aspect unique de l’expérience est que AlF peut être refroidi par laser et piégé dans plusieurs niveaux quantiques de rotation. L’équipe FHI a pu basculer entre trois niveaux de rotation différents dans le piège, en ajustant simplement avec précision les longueurs d’onde laser utilisées, 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 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 différents 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. « Dans les premières expériences, nous avons vu qu'AlF peut survivre aux collisions avec des parois sous vide à température ambiante, même en thermalisation, ce qui est très prometteur. »
Un long voyage en laboratoire donne des résultats prometteurs
Pour atteindre cette étape, il a fallu près de huit années de travail acharné en laboratoire : d'abord avec une étude détaillée des propriétés spectroscopiques de l'AlF, suivie par le développement et les tests de la technologie UV profond pour le piège, et enfin le ralentissement laser et le piégeage magnéto-optique lui-même. « Cela a été un énorme effort d'équipe, et nos résultats sont à plusieurs égards dus à l'environnement de recherche fantastique, au soutien technique et aux ressources du département de physique moléculaire », a déclaré Eduardo Padilla, l'étudiant diplômé principal du projet.
Les résultats récents élargissent les possibilités de la physique moléculaire ultra-froide, et l'AlF refroidi par laser permettra probablement de nouvelles mesures de précision et un contrôle quantique des molécules. Un aspect particulièrement intéressant d’AlF est la présence d’un état électronique « métastable » à longue durée de vie, pour lequel les spins des électrons se combinent pour former ce qu’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 porte à des températures encore plus froides.
