Des chercheurs de l'Université de Johannes Gutenberg Massez (JGU) et de l'Institut Helmholtz Maypied (HIM) ont développé une nouvelle méthode pour étudier la structure interne des atomes et découvert des transitions atomiques précédemment inconnues à Samarium, un élément de terre rare. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Revue physique appliquée.
La capacité de décrire la structure interne des atomes est importante non seulement pour comprendre la composition de la matière, mais aussi pour la conception de nouvelles expériences pour explorer la physique fondamentale. Des expériences spécifiques nécessitent des échantillons d'atomes ou de molécules avec des propriétés particulières, qui dépendent fortement du phénomène à explorer. Cependant, la connaissance de la structure au niveau de l'énergie de nombreux atomes reste incomplète, en particulier dans le cas des terres rares et des atomes d'actidide.
La spectroscopie est l'une des techniques les plus utilisées pour étudier la structure des atomes. Cette technique est basée sur le principe que les électrons absorbent ou émettent de l'énergie lorsqu'ils se déplacent entre les niveaux d'énergie dans un atome. Chaque élément a un ensemble unique de longueurs d'onde de lumière qui sont émises ou absorbées en raison de ces transitions. Ceci est connu comme le spectre atomique.
«La spectroscopie à large bande à haute résolution est essentielle pour les mesures de précision dans la physique atomique et la recherche de nouvelles interactions fondamentales», explique Razmik Aramyan, Ph.D. Étudiant dans le groupe du professeur Dr. Dmitry Budker et auteur principal du journal. « Mais les progrès sont souvent entravés par la difficulté de mesurer les 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 limites, Aramyan et ses collaborateurs ont appliqué et développé une méthode connue sous le nom de spectroscopie à double CAMB (DCS), qui permet de mesurer les spectres atomiques à une large bande de fréquences électromagnétiques avec une haute résolution et une sensibilité élevée.
Le DCS est basé sur la technique de peigne de fréquence optique, pour laquelle le prix Nobel de physique a été décerné en 2005. Les peignes de fréquence optique sont des lasers spécialisés qui mesurent les fréquences exactes de la lumière. Dans DCS, deux de ces peignes sont utilisés en mode cohérent, permettant des mesures plus précises du spectre de l'échantillon que les méthodes conventionnelles.
Afin de détecter des signaux faibles avec une haute précision – l'un des défis des CD – le groupe a également mis en œuvre plusieurs 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 photodétecteur avec un nouveau schéma pour résoudre les ambiguïtés de fréquence, permettant des mesures à large bande sans ambiguïté sans ambiguïté, à haut rendement », 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 qui est connu comme un « outil spectroscopique massivement parallèle » – celui qui peut effectuer un grand nombre de mesures spectroscopiques simultanément. Cet outil sera utilisé pour effectuer une spectroscopie de spectres atomiques et moléculaires denses sous des champs magnétiques intenses.
Première application réussie: le spectre de la vapeur de samarium
DCS est particulièrement bien adapté pour combler les lacunes dans les données atomiques, comme le confirme la publication actuelle. 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 les ensembles de données existants, ils ont trouvé des lignes spectroscopiques qui étaient auparavant inconnues.
« Nous avons découvert plusieurs lignes d'absorption de samarium précédemment non décrites. Cela illustre le potentiel de notre méthode pour découvrir des propriétés atomiques précédemment inconnues. Il ouvre des possibilités prometteuses pour une spectroscopie massivement parallèle, par exemple pour la spectroscopie des atomes pulsés et ultra-élevés de champs magnétiques », conclut Aramyan.
