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Un nouveau record avec le refroidissement par laser de molécules

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Les atomes ultrafroids ont permis de réaliser des horloges atomiques plus précises, d'explorer la physique des condensats de Bose-Einstein (CBE) et d'envisager de nouveaux tests pour la physique fondamentale. Les molécules ultrafroides que l'on peut obtenir aussi par refroidissement laser depuis quelques années semblent également prometteuses. À l'aide d'un piège magnéto-optique, on vient d'atteindre un nouveau record de basse température.

Une cavité optique utilisée pour contrôler la longueur d'onde des lasers employés pour refroidir des molécules de fluorure de strontium dans un piège magnéto-optique. © Michael Helfenbein

Les propriétés individuelles des atomes et des molécules sont en partie cachées par leur comportement collectif dans les gaz, les liquides ou les solides et c'est pourquoi les physiciens ont cherché à les isoler et à les piéger pour pouvoir les étudier plus en détail. Cela les a conduit à inventer tout d'abord des pièges à ions, comme ceux de Paul et de Penning, puis finalement des pièges magnéto-optiques (ou MOT, de l'anglais magneto-optical trap) pour les atomes et les molécules neutres. Ils ont été mis au point en 1987 par Jean Dalibard à l'École normale supérieure (ENS) à Paris, puis améliorés par David Pritchard du MIT et le prix Nobel Steven Chu de l'Université de Stanford.

Des atomes ultrafroids pour la physique fondamentale

L'intérêt véritable des pièges magnéto-optiques qui nécessitent des lasers et un champ magnétique inhomogène est qu'ils permettent d'obtenir des populations d'atomes ultrafroids. Comme leur énergie cinétique moyenne baisse avec la température, on obtient des atomes lents. Il en découle que certaines raies spectrales fines, qui sont d'ordinaire élargies par l'effet Doppler lié à l'agitation thermique des atomes, peuvent être mesurées avec précision alors qu'elles se chevauchent et se brouillent à des températures plus hautes.

Le prix Nobel de physique Claude Cohen-Tannoudji est l’auteur de nombreux travaux en optique quantique. C’est l’un des pionniers des techniques de refroidissement par laser des atomes. © ENS

Or, la possibilité de mesurer avec grande précision la fréquence correspondant à une transition entre deux niveaux d'énergie atomique permet de réaliser des horloges atomiques encore plus performantes ou encore, de chercher des écarts minimes aux prédictions du modèle standard de la physique des particules. Les atomes ultrafroids que l'on piège permettent aussi de faire des expériences d'interférométrie avec des faisceaux d'atomes ou de réaliser des condensats de Bose-Einstein (CBE). Ces différentes possibilités ouvrent donc de multiples perspectives en physique fondamentale et en métrologie.

Des molécules diatomiques refroidies presque au zéro absolu

Depuis quelques années, un groupe de chercheurs de l'université de Yale s'est lancé quant à lui dans la physique des molécules ultrafroides pour les mêmes raisons que ceux qui se sont intéressés au milieu des années 1980 à la physique des atomes ultrafroids et les CBE, à savoir leur utilisation pour faire des calculs quantiques ou des simulations du comportement quantique de la matière condensée. En outre, les molécules ultrafroides pourraient offrir des possibilités uniques pour l'étude de la dynamique des réactions chimiques et pour des tests de symétries fondamentales. Les physiciens de Yale viennent de publier dans le journal Nature, un article (en accès libre sur arxiv) dans lequel ils exposent les derniers résultats de leur recherche sur ces molécules ultrafroides.

Comme dans le cas de leurs précédents travaux, ils ont utilisé des molécules de fluorure de strontium (FSr) auxquelles ils ont appliqué le refroidissement Doppler par laser. Cette technique provient des travaux de pionnier sur les atomes ultrafroids du prix Nobel de physique Claude Cohen-Tannoudji. Et cette fois-ci, ils ont piégé ces molécules dans un MOT. Cela leur a permis de s'assurer avec précision qu'ils avaient bien battu le record de basse température avec des molécules directement refroidies par laser. Ils sont descendus à 2,5 mK.

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