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Une méthode simple et efficace pour refroidir la vibration des ions moléculaires

Production et piégeage d'atomes et molécules froides intéressent de près des domaines tels que la spectroscopie de très haute résolution, la mesure des constantes physiques universelles ou encore le développement de l'ordinateur quantique. Si la méthode de refroidissement « gaz tampon » marche bien pour la translation et la rotation moléculaire, cela semblait moins vrai pour les mouvements internes ou vibrationnels. Cependant, des chercheurs de l'Institut des sciences moléculaires (CNRS, Université de Bordeaux) et du laboratoire Modélisation et simulation multi-échelle (CNRS/Université de Paris-Est Marne-la-Vallée) ont confirmé via un modèle théorique, l'efficacité de la méthode pour les collisions entre un gaz d'atomes ultra froid et la molécule BaCI+. Toute une classe de molécules cationiques ultrafroides pourrait ainsi être obtenue selon ce modèle. Ces travaux ont été publiés dans Nature Communication.

Parmi les nombreuses méthodes de refroidissement existantes, celle dite du « gaz tampon », qui consiste à provoquer des collisions entre un gaz d’atomes froids et l’échantillon moléculaire à refroidir, présente l’avantage d’être universelle et facile à mettre en œuvre. Malheureusement, si les expériences ont démontré son efficacité pour refroidir les mouvements de translation et de rotation moléculaire, elle était réputée inopérante pour les mouvements internes, c'est-à-dire les mouvements vibrationnels, tout au moins à une échelle de temps compatible avec les temps de piégeage.

En 2013, une équipe d’expérimentateurs du Département de physique et d’astronomie (Université de Californie à Los Angeles) a pourtant montré qu’au moins une exception à cette règle existait pour les collisions entre un gaz d’atomes de calcium ultrafroid refroidis par laser et la molécule BaCl+ [1].

A la suite de cette expérience, une collaboration a débuté entre les deux équipes auteurs de cette étude aux Etats-Unis et les deux équipes de théoriciens de l’Institut des sciences moléculaires et du Laboratoire de modélisation et simulation multi-échelle, en France. Une collaboration qui a donné lieu à une publication le 18 avril 2016 dans Nature communication. Cette étude confirme tout d’abord les résultats expérimentaux du groupe d’Eric Hudson [1], puis propose un modèle théorique simple expliquant l’efficacité du refroidissement vibrationnel pour ce système et évalue son efficacité pour d’autres cations moléculaires.

Ce modèle de capture statistique prédit l’efficacité de la désexcitation vibrationnelle en fonction de paramètres physiques aisément disponibles : la polarisabilité atomique du gaz tampon, la masse relative et l’énergie de liaison du complexe triatomique, la fréquence vibrationnelle du diatome. Ce modèle simple a été validé en comparant ces prédictions pour les taux de désexcitation vibrationnelle dans la limite des très basses températures aux résultats de calculs de dynamique quantique pour cinq systèmes atome + cation diatomique (voir figure). Cette étude suggère donc que toute une classe de molécules cationiques ultrafroides pourrait être obtenue par cette technique.

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© DR

[1] Wade G. Rellergert, Scott T. Sullivan, Steven J. Schowalter, Svetlana Kotochigova, Kuang Chen & R. Eric Hudson Evidence for sympathetic vibrational cooling of translationally cold molecules Nature, 28 Mars 2013 - DOI : 10.1038/nature11937

Référence

Thierry Stoecklin, Philippe Halvick, Mohamed Achref Gannouni, Majdi Hochlaf, Svetlana Kotochigova & Eric R. Hudson Explanation of efficient quenching of molecular ion vibrational motion by ultracold atomsNature communications, 18 avril 2016
DOI : 10.1038/ncomms11234


Contact chercheur

Thierry Stoecklin, Institut des sciences moléculaires

t.stoecklin@ism.u-bordeaux1.fr

Philippe Halvick, Institut des sciences moléculaires

p.halvick@ism.u-bordeaux1.fr

Majdi Hochlaf, Modélisation et simulation multi-échelle

hochlaf@univ-mlv.fr

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Stéphanie Younès