Des chercheurs du Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms ont récemment démontré un piège magnéto-optique (MOT) unidimensionnel (1-D) de monohydroxyde de calcium à radicaux libres polaires (CaOH). Cette technique, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physique , a été réalisé en refroidissant CaOH en utilisant des techniques de refroidissement laser radiatif.

"Les molécules froides sont des systèmes merveilleusement complexes qui peuvent être de puissants outils de mesure à la recherche d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard ou de blocs de construction complexes pour construire de nouveaux systèmes quantiques et simuler leur comportement, " Louis Baum, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "A basse température, nous sommes capables de manipuler entièrement même des molécules individuelles, contrôler la façon dont ils interagissent avec l'environnement et entre eux.

Inspiré par le potentiel des molécules froides pour dévoiler de nouveaux mécanismes physiques, les chercheurs ont entrepris d'étudier ce qui se passe lorsque les techniques de refroidissement sont appliquées à d'autres composés ou espèces chimiques. S'il existe plusieurs approches pour produire des molécules froides, Baum et ses collègues ont utilisé le refroidissement laser direct, qui s'est avérée particulièrement efficace au cours de la dernière décennie.

"Au fur et à mesure que la capacité de contrôler les molécules diatomiques augmentait, nous étions curieux d'étendre les mêmes techniques de refroidissement laser appliquées à des molécules simples à de plus grandes, espèces plus diversifiées chimiquement, " a déclaré Baum. " Même en passant d'une molécule diatomique à une molécule triatomique, comme CaOH, augmente considérablement la complexité du système, mais il apporte aussi des degrés de liberté nouveaux et intéressants. Notre espoir est d'utiliser ces nouveaux degrés de liberté pour mener un certain nombre d'expériences passionnantes."

Dans leurs récentes expériences, les chercheurs ont pu démontrer un MOT 1-D en observant de petits changements dans la largeur d'un faisceau moléculaire, qui correspondait à la température transversale des molécules qu'ils utilisaient. Un MOT fonctionne essentiellement en diffusant à plusieurs reprises des photons. Chacun de ces photons diffusés délivre alors un petit coup de mouvement aux molécules confinées dans le piège.

"Avec une combinaison judicieuse de champ magnétique et de lumière laser polarisée, nous pouvons contrôler quelles molécules reçoivent ces coups de pied, " a expliqué Baum. " Le système fournit à la fois un refroidissement et un piégeage lorsque nous ciblons les molécules les plus rapides et les molécules proches de l'extérieur du piège. Cependant, dans les molécules, la même complexité interne qui les rend intéressants rend difficile la diffusion d'un grand nombre de photons."

La diffusion d'un grand nombre de photons à travers des molécules complexes s'est jusqu'à présent avérée très difficile. Ceci est principalement dû au fait que lorsque les molécules diffusent un photon, elles peuvent se désintégrer dans un état vibratoire excité, qui n'est pas adressé par la lumière laser. Cela peut finalement entraîner la perte des molécules à l'intérieur d'un piège.

Le MOT 1-D réalisé par Baum et ses collègues compense cet effet indésirable. Les chercheurs fournissent ainsi l'un des premiers exemples concrets de manipulation de molécules en diffusant plusieurs centaines de photons.

"Notre travail n'est pas seulement une preuve du principe selon lequel des techniques développées précédemment peuvent être appliquées dans des systèmes polyatomiques, mais nous montrons aussi que nous avons trouvé une classe de molécules où, malgré leur complexité interne, on peut en disperser plus de 2, 000 photons, " dit Baum. " De plus, nous savons dans quels états vibrationnels les molécules tombent, afin que nous puissions les récupérer."

Juste en utilisant quelques lasers supplémentaires, Baum et ses collègues prévoient que leur méthode devrait permettre la diffusion de plus de 10, 000 photons. Cela signifie que dans les expériences futures, leur approche pourrait également être potentiellement étendue pour couvrir les trois dimensions.

Il y a une dizaine d'années, les physiciens considéraient le refroidissement laser direct des molécules polyatomiques impraticable, sinon totalement irréalisable. L'étude récente menée par cette équipe de chercheurs s'ajoute au pool de preuves suggérant que le refroidissement de ces molécules complexes est en fait possible.

"Nous espérons que notre démonstration et les avancées à venir fourniront une nouvelle plate-forme expérimentale pour explorer la frontière de la physique et de la chimie quantique, " Baum a déclaré. "Notre objectif immédiat est d'étendre nos résultats à un MOT 3-D de CaOH qui servira de point de départ pour de futures expériences. On peut imaginer charger des molécules individuelles dans des pincettes optiques et construire de nouvelles plates-formes pour la simulation ou le calcul quantique. »

Dans leurs prochaines études, Baum et ses collègues aimeraient également étudier les processus collisionnels fondamentaux, en d'autres termes, ce qui se passe au niveau quantique lorsque deux molécules entrent en collision, qui est encore mal compris. Les études de collision pourraient à terme ouvrir la voie au développement de techniques de refroidissement par évaporation, ce qui peut permettre un refroidissement plus extrême et potentiellement la création d'un gaz quantique dégénéré de molécules polyatomiques.

« Nous avons également récemment achevé des travaux étendant le refroidissement laser à des espèces encore plus grandes de monométhoxyde de calcium (CaOCH 3 ), ce qui montre que nos techniques peuvent être généralisées à des molécules ayant une pertinence chimique voire biologique, " a déclaré Baum.

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