Une nouvelle méthode laser pour piéger et nanostructurer un gaz moléculaire

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 THzLa 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.. 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 DopplerL’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. . 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.

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