Une nouvelle méthode laser pour piéger et nanostructurer un gaz moléculaire

Résultat scientifique Photonique

Si la recherche sur la capture et le refroidissement des atomes explose depuis une trentaine d’années, les molécules y restent réfractaires. Une équipe du laboratoire XLIM a cependant proposé une nouvelle méthode pour piéger et nanostructurer un gaz moléculaire. Celle-ci fonctionne grâce à la génération d’un laser Raman et une fibre creuse spéciale. Ces travaux ont été publiés dans Nature Communications.

Le refroidissement des atomes repose principalement sur l’utilisation d’un laser afin d’éliminer leur agitation thermique. Or les molécules sont composées de plusieurs atomes qui bougent les uns par rapport aux autres, un mouvement supplémentaire qui complique leur contrôle. Les chercheurs de l’équipe du GPPMMau sein du laboratoire XLIM (CNRS/Université de Limoges), ont utilisé la génération d’un laser Raman pour surmonter ce problème. Un premier laser excite des molécules de gaz, ici de l’hydrogène, pour les faire tourner à une fréquence d’environ 17 THz1. Elles émettent alors dans deux directions opposées un second rayonnement, le laser Raman, qui forme un réseau optique le long du cœur de la fibre creuse à bande interdite photonique, un milieu qui filtre les fréquences indésirables.

L’association entre le réseau optique, la rotation des molécules et le laser d’excitation forme un réseau de puits de potentiel nanométriques. Leur profondeur permet de piéger des molécules allant jusqu’à une vitesse de 1800 m/s. Les molécules sont ainsi prises dans un espace nettement inférieur à la longueur d’onde des lasers, on alors parle de régime Lamb-Dicke, et forment une structure spatiale « gazeuse » inédite où les seules molécules émettrices sont celles piégées dans les puits de potentiel.

Cette nouvelle structure permet la génération d’un laser très puissant, qui révèle des phénomènes quantiques d’habitude masqués par l’agitation des molécules et l’effet Doppler2 . Parmi lesquels, on note la cohabitation avec les molécules fortement localisées, d’un mouvement d’ensemble du gaz qui parcourt toute la longueur de fibre, et qui est visuellement observable de façon spectaculaire (voir l'image animée ci-dessous). Les applications pourraient être nombreuses pour les lasers, l’informatique et l’ingénierie quantiques, tout comme le refroidissement des atomes a permis diverses avancées telles que l’horloge atomique.

© F.Benabid - XLIM

Schéma montrant un gaz de molécules d’hydrogène dans une fibre micro-structurée et piégées dans des puits de potentiel d’échelle nanométrique et émettant une radiation lumineuse avec une largeur spectrale ultra-fine 
En images animées

Références :

Raman gas self-organizing into deep nano-trap lattice
M. Alharbi, A. Husakou, M. Chafer, B. Debord, F. Gerome and F. Benabid. 
Nature Communications 7, Article number: 12779 (2016)
DOI :10.1038/ncomms12779

  • 1. La bande de fréquence des térahertz (THz) désigne les ondes électromagnétiques s'étendant de 100 GHz à 30 THz. Elle est intermédiaire entre les fréquences radioélectriques des micro-ondes et les fréquences optiques de l'infrarouge.
  • 2. L’effet Doppler désigne le décalage de fréquence d’une onde (mécanique, acoustique, électromagnétique ou d'une autre nature) observé entre les mesures à l'émission et à la réception, lorsque la distance entre l'émetteur et le récepteur varie au cours du temps.

Contact

Communication INSIS
Fetah Benabid
Chercheur