Systèmes quantiques libres corrélés

Contact: Jacques Robert

A - Atomes en interaction avec une nano-fibre optique

Cette activité se déroule dans le cadre d’une collaboration avec le groupe de Sile Nic Chormaic à OIST (Okinawa) et de Etienne Brion, LCAR (Toulouse).

Un atome, et son spectre d’états, est toujours en interaction avec son environnement électromagnétique que ce soit le champ du vide ou le champ d’un laser par exemple, cette interaction est fortement dépendante des conditions aux limites qui façonnent la structure spatiale du champ électromagnétique.

Interaction entre les dipôles deux atomes par la matrice de transfert T qui peut se décomposer en interaction directe via les modes du vide de l’espace libre et interaction via les modes de la fibre. (Erwan Stourm thèse de doctorat décembre 2020)

Les atomes interagissent via le champ électromagnétique qui les entoure et il est possible de privilégier certains modes de ce champ en plaçant ces atomes à proximité d’une fibre optique. Ceci permet de distinguer les échanges directs entre les atomes et ceux qui ont lieu à travers des modes du champ de la fibre. Le champ de la fibre peut être dans l’ état du vide ou dans un état créé par un champ laser. Cela pourrait rendre détectable la présence des atomes au voisinage de la fibre via la perturbation liée à ce champ laser.

Afin de faciliter l’interprétation des expériences, il est préférable que les atomes étudiés soient hautement excités (des atomes de Rydberg), car très réactifs au champ électromagnétique, et que ces atomes soient le plus immobiles possibles. Ainsi, des atomes froids sont placés à proximité d’une fibre dont le champ est très exalté par exemple celui d’une nanofibre. Suivant le schéma précédemment décrit, on a l’ébauche d’un système permettant de stocker l’information entre atomes de manière globale et modulable au travers de leur interaction avec une fibre ou avec plusieurs fibres qui peuvent échanger de l’information via les atomes.

B - Atomes d’hydrogène en interaction et paires ioniques

On a montré qu’il était possible d’obtenir des paires d’atomes jumeaux chacun dans l’état H(2S) par dissociation d’une molécule d’hydrogène. La dynamique précise de la dissociation est très délicate à suivre et à contrôler. Une approche complémentaire à ce type de dynamique consiste à suivre les collisions partir d’états libres, c’est à dire des collisions entre atomes d’un jet d’hydrogène dont certains sont électriquement excités. En se concentrant sur l’analyse des corrélations entre les paires obtenues, on constate que ces paires peuvent être neutres, partiellement excitées ou bien des ions (e ;g. H+ / H-), en fonction de l’état d’excitation électronique des deux partenaires de collision.

Atomes jumeaux H(2S) + H(2S):

Les paires d’atomes jumeaux chacun dans l’état H(2S) obtenues par dissociation par impact électronique d’une molécule d’hydrogène peuvent être considérées comme des paires de type EPR car l’interaction entre les deux atomes est écrantée à grande distance. (Collaboration avec l’équipe de Ginette Jalbert au LACAM UFRJ Brésil)

Sur la figure on montre comment on peut se représenter la fragmentation de H₂ par impact électronique en H(2S) + H(nL). Les détecteurs ne sont sensibles qu’aux atomes dans l’état H(2S) aux ions et aux photons FUV. Les spectres représentent le nombre d’évènements enregistrés en fonction du temps de vol entre le centre de collision et l’un des deux détecteurs.

Axe des x : détecteur 1, axe des y : détecteur 2. Code couleur sur les spectres en densité : bleu pas d’évènements, jaune puis orange nombre d’événement croissant. Les spectres du haut représentent (1) à gauche, un signal synthétisé produit simple des deux spectres de temps de vol obtenus pour chaque détecteur indépendamment tous les évènements H(2S) + H(1S) ou H(2S) + H(2S) etc,. (2) au centre le signal lorsque les deux détecteurs fonctionnement de manière corrélée, c’est le signal de coïncidences correspondant uniquement aux évènements 1 molécule de H₂ donne deux atomes de H(2S).  (3) à droite un signal synthétique obtenu en multipliant les deux spectres de temps de vol obtenus indépendamment en introduisant une condition de conservation artificielle de la vitesse du centre de masse du système.

Si les formes des deux derniers spectres paraissent comparables, on distingue sur la figure du bas que leur intensité ne l’est pas car elle dépend de l’efficacité de détection sur chacun des détecteurs qui interviennent différemment dans le cas d’une détection en régime corrélé ou en régime indépendant.

En bleu : Spectre de temps de vol obtenu pour un seul détecteur On Indique les différentes contributions possibles au signal enregistré.

En orange : projection sur ce spectre du signal de coïncidence obtenu avec les deux détecteurs corrélés. Les échelles d’intensité ont été ajustées pour déterminer les largeurs et les temps de vol correspondant à ce processus.

Paires Ioniques :

Un des intérêts de l’étude des paires ioniques (H⁺ / H^-) provient de la propriété de l’interaction Coulombienne de se poursuivre sans écrantage jusqu’à l’infini, ce qui fait que les fragments restent toujours en interaction. Ceci permet d’étudier des paires quantiquement corrélées en interaction (paires de Darwin). Notons que ceci les distingue clairement des paires neutres pour lesquelles la corrélation quantique n’est pas accompagnée d’une interaction à longue portée.

Molecular processes within a cold beam of hydrogen atoms with laser irradiation

Left to Right, Dissociation, Molecular Initial State: H₂ (^aΛ_b )->H(n,l)+H(n’,l’)

Right to Left, Association,:Atomic Initial States   H(n,l)+H(n’,l’) -> H₂ (^aΛ_b )

Pour ces systèmes ioniques, il est aisé d’agir avec un champ électrique ou magnétique sur les ions résultants et donc d’étudier leur re-collision. Sur cet aspect, ces paires se rapprochent des paires ion-électron utilisées pour la création d’harmoniques d’ordre élevées dans un champ laser intense. Le cas de la paire H⁺ / H^- a de plus la particularité d’être, tout au moins à grande distance et au spin nucléaire près, équivalent à celui de deux particules sans structure et sans spin électronique, puisque le proton n’a qu’un spin nucléaire et que pour l’anion hydrogène le spin nucléaire est porté par le proton et que ses deux électrons se trouvent dans un seul état électronique stable de symétrie S.

Processus Moléculaires entre atomes d’hydrogène, formation de paires d’ions par collision : H(n=2,3,4;l)+H(1s) -> H⁺ +H^-.

Figure de gauche, en haut : courbes de potentiel adiabatiques, en bas : courbes de potentiel des états excités seuls et surimposition de la courbe d’interaction ionique et des croisements avec les courbes adiabatiques.

Expérimentalement on se propose d’utiliser un jet d’hydrogène atomique dense et aussi froid que possible. Les atomes d’hydrogène sont produits par décharge radiofréquence ou micro-ondes puis le gaz résultat est refroidi par cryogénie. Sous l’effet d’un ou plusieurs lasers les atomes d’hydrogène sont portés dans les premiers états électroniques. Pour une excitation directe à 1 photon, il faut disposer de lasers pouvant produire du rayonnement Lyman (alpha ou bêta) accordables et de faible largeur spectrale. Le verrou principal est celui de l’obtention de rayonnement Lyman alpha (121 nm) suffisamment intense sinon en régime continu, au moins en régime impulsions longues. Quelle que soit le détail de la méthode employée, un dispositif de mélange de fréquence performant est nécessaire. La stabilisation des lasers sera réalisée par peignes optiques (CEPR COMB-IdF et réseau REFIMEVE)

Nous étudions la possibilité de réaliser à l’aide d’un plasma créé dans un capillaire creux rempli de gaz (hydrogène) soit pour obtenir des jets d’atomes (ions) soit pour générer des harmoniques à Lyman alpha.