Stabiliser les échantillons moléculaires ultra-froids

Des physiciens théoriciens ont proposé un protocole utilisant un faisceau laser pour inhiber les réactions chimiques indésirables qui déstabilisent les échantillons moléculaires ultra-froids.

Les gaz ultra-froids, dont la température est très proche du zéro absolu, sont des objets physiques qui permettent de révéler les secrets les plus intrigants de la matière quantique. Ce sont aussi des systèmes de choix pour des applications en information ou en simulation quantiques. Ces gaz sont composés d’atomes, mais aussi de molécules diatomiques, dont le moment dipolaire électrique les rend plus sensibles aux champs électromagnétiques, et donc plus facilement manipulables. Toutefois, ces possibilités accrues de contrôle se doublent d’une plus grande complexité pour obtenir des échantillons moléculaires exploitables pour les applications mentionnées plus haut.

A ce titre, l’obtention dans plusieurs équipes autour du monde de molécules hétéronucléaires dans leur état fondamental absolu (électronique, ro-vibrationnel et hyperfin) a constitué un achèvement majeur de la dernière décennie. Ces molécules sont essentiellement composées d’atomes alcalins tels que le sodium, le potassium ou encore le rubidium. Cependant, une fois ces échantillons formés, les différentes équipes expérimentales ont été forcées de constater leur grande instabilité. Après une fraction de seconde, les molécules disparaissent sous l’effet de réactions chimiques indésirables, dont la nature exacte fait aujourd’hui encore l’objet de différentes études.

Dans un récent article publié dans Physical Review Letters, des physiciens théoriciens du Laboratoire Aimé Cotton (LAC, Orsay), du Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB, Dijon) et l’Institut de Recherche Nucléaire (ATOMKI, Debrecen, Hongrie) ont proposé un nouveau protocole permettant d’augmenter la stabilité des échantillons moléculaires ultra-froids. Son principe est d’éviter que deux molécules ne s’approchent suffisamment l’une de l’autre pour déclencher une réaction chimique indésirables. A l’aide d’un faisceau laser de fréquence et d’intensité judicieusement choisies, il est possible de faire en sorte que deux molécules s’approchent systématiquement comme deux aimants dont les pôles nord se font face, et donc qui se repoussent au point de ne pouvoir se coller.

Cet effet d’écrantage entre molécules a été démontré en utilisant un champ électrique statistique ou micro-onde à la place du faisceau laser, ce dernier s’avérant toutefois plus simple à mettre en œuvre dans les expériences. Son inconvénient majeur est qu’il induit de la fluorescence dans le gaz moléculaire, ce qui a pour effet de détruire l’effet d’écrantage escompté. Ici les chercheurs ont contourné ce problème en choisissant une fréquence laser proche d’une transition vers un niveau moléculaire métastable, ce qui limite considérablement l’effet néfaste de la fluorescence.

Dans ce travail théorique, les physiciens ont d’abord calculé l’énergie d’interaction entre deux molécules, en présence d’un faisceau laser dont la fréquence est proche d’une transition moléculaire. Une fréquence laser légèrement supérieure à la fréquence de transition permet de favoriser une interaction répulsive entre molécules. Mais comme l’ampleur de cette répulsion dépend fortement de la fréquence et de l’intensité du laser, les chercheurs ont déterminé les valeurs optimales de ces paramètres, c’est-à-dire ceux qui minimisent la constante de vitesses caractérisant la réaction de destruction des molécules. Cette constante a été calculée en résolvant numériquement l’équation de Schrödinger, qui décrit l’évolution des systèmes quantiques.

Énergies d’interaction et constantes de vitesses ont été calculées de façon détaillée dans le cas de la molécule de sodium-rubidium (NaRb), au sujet de laquelle l’équipe de théoriciens entretient une collaboration fructueuse avec des expérimentateurs de Hong-Kong. Les simulations montrent que, dans une gamme de paramètres lasers accessibles expérimentalement, la constante de vitesses des réactions indésirables peut être approximativement divisée par 1000, par rapport à la situation sans laser. La résultat est une augmentation importante de la stabilité des échantillons moléculaires qui deviennent ainsi exploitables pour de futures expériences. Enfin, des estimations réalisées pour les autres molécules diatomiques alcalines montrent que le protocole présenté en détails pour NaRb est applicable pour la plupart d’entre elles.

• Pour en savoir plus: T. Xie, M. Lepers, R. Vexiau, A. Orban, O. Dulieu and N. Bouloufa-Maafa. Optical shielding of destructive chemical reactions between ultracold ground-state NaRb molecules, Phys. Rev. Lett, 125, 153202 (2020).