Les atomes neutres et les ions chargés peuvent être refroidis à des températures extrêmement basses (c. aux microkelvins, 1 millionième de degré au-dessus du zéro absolu) en utilisant des techniques laser. A ces basses températures, les particules se sont souvent avérées se comporter conformément aux lois de la mécanique quantique.

Les chercheurs mènent des expériences de refroidissement par laser sur des atomes et des ions depuis des décennies. Jusque là, cependant, aucune étude n'avait observé de mélanges d'atomes et d'ions à des températures extrêmement basses.

Des chercheurs de l'Université d'Amsterdam ont été les premiers à y parvenir en plaçant un ion à l'intérieur d'un nuage d'atomes de lithium pré-refroidis à quelques millionièmes de kelvin. leurs observations, Publié dans Physique de la nature , a dévoilé de nombreux effets qui pourraient avoir des implications intéressantes pour le développement de nouvelles technologies quantiques.

« Les atomes froids et les ions trouvent des applications dans des études visant à comprendre les phénomènes quantiques à plusieurs corps et pourraient être utilisés dans des horloges atomiques ou peut-être même des ordinateurs quantiques, " Dr René Gerritsma, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Jusque là, cependant, personne n'avait jamais fait un mélange d'atomes et d'ions à ces températures ultrafroides. L'objectif de notre étude était d'y parvenir pour la première fois."

Dans leurs expériences, Gerritsma et ses collègues ont commencé par refroidir un seul ion à l'aide de techniques de refroidissement laser. Séparément, ils ont également préparé un nuage d'environ 10, 000 atomes de lithium et l'a refroidi à quelques microkelvins.

Ensuite, les chercheurs ont superposé l'ion avec le nuage d'atomes et ont surveillé les niveaux d'énergie de l'ion, à l'aide d'un ensemble d'outils généralement utilisés pour la recherche sur les ordinateurs quantiques à ions piégés. Cela leur a finalement permis de déterminer l'énergie résultant de la collision entre l'ion et le nuage d'atomes.

"Le principal défi de notre expérience était de garder l'ion piégé dans le gaz, " expliqua le Dr Gerritsma. " Pour y parvenir, nous utilisons des champs électriques, mais ceux-ci ont un effet négatif sur les collisions atome-ion, provoquant un échauffement."

Il y a quelques années, en menant des expériences similaires, un groupe de recherche du MIT a prédit que les effets de chauffage résultant de l'utilisation de champs électriques pourraient être atténués en utilisant un ion très lourd et une espèce d'atome léger. Cette prédiction a finalement inspiré Gerritsma et ses collègues à mener leurs expériences en utilisant un ion ytterbium et un nuage d'atomes de lithium.

"Pour la toute première fois, nous avons observé qu'un ion dans un gaz neutre d'atomes se refroidit à un régime où les effets quantiques deviennent importants, " a déclaré le Dr Gerritsma. " Le système peut être utilisé pour étudier la chimie quantique au niveau d'une seule particule, ou la physique quantique à plusieurs corps d'atomes et d'ions en interaction ou peut-être même pour refroidir le gaz tampon de l'ordinateur quantique à ions piégés."

En mesurant l'énergie cinétique des atomes et des ions dans toutes les directions de mouvement, Gerritsma et ses collègues ont pu recueillir un certain nombre d'observations intéressantes. Par exemple, l'énergie de collision entre l'ion ytterbium et les atomes de lithium a atteint ce que l'on appelle la limite de l'onde s, ce qui suggère que la théorie quantique peut aider à mieux comprendre la collision.

L'équipe de recherche a trouvé des preuves indiquant l'apparition de phénomènes quantiques dans les collisions entre l'ion et les atomes. Ces nouvelles observations pourraient avoir des implications pour de futures recherches, par exemple, ouvrant la voie à des études approfondies des configurations atome-ion à courte durée de vie connues sous le nom de résonances magnéto-moléculaires. Dans leurs prochaines études, Gerritsma et ses collègues prévoient d'utiliser une méthode similaire à celle employée dans leur étude récente pour rechercher les résonances dites de Feshbach entre les atomes et les ions.

« Dans ces résonances, l'atome et l'ion peuvent former une molécule et ils peuvent être utilisés pour augmenter la force d'interaction entre les atomes et les ions, " a déclaré le Dr Gerritsma. " Des résonances de Feshbach ont été observées entre des atomes neutres, et il a été prédit qu'ils existent également entre les atomes et les ions. Cependant, elles n'ont jamais été observées car les températures ultrafroides requises n'avaient pas été atteintes jusqu'à présent."

© 2020 Réseau Science X