La spectroscopie ultraviolette joue un rôle essentiel dans l'étude des transitions électroniques dans les atomes et des transitions rovibroniques dans les molécules. Ces études sont essentielles pour les tests de physique fondamentale, la théorie de l'électrodynamique quantique, la détermination des constantes fondamentales, les mesures de précision, les horloges optiques, la spectroscopie haute résolution à l'appui de la chimie atmosphérique et de l'astrophysique, et la physique des champs forts.
Les scientifiques du groupe de Nathalie Picqué de l'Institut Max-Planck d'optique quantique ont fait un pas de géant dans le domaine de la spectroscopie ultraviolette en mettant en œuvre avec succès la spectroscopie à double peigne à absorption linéaire haute résolution dans la gamme spectrale ultraviolette. Cette réalisation révolutionnaire ouvre de nouvelles possibilités pour réaliser des expériences dans des conditions de faible luminosité, ouvrant la voie à de nouvelles applications dans divers domaines scientifiques et technologiques.
La spectroscopie à double peigne, une technique puissante pour une spectroscopie précise sur de larges bandes passantes spectrales, a été principalement utilisée pour l'absorption linéaire infrarouge de petites molécules en phase gazeuse. Il repose sur la mesure de l'interférence en fonction du temps entre deux peignes de fréquences avec des fréquences de répétition légèrement différentes.
Un peigne de fréquence est un spectre de lignes laser uniformément espacées et cohérentes en phase qui agit comme une règle pour mesurer la fréquence de la lumière avec une extrême précision. La technique à double peigne ne souffre pas des limitations géométriques associées aux spectromètres traditionnels et offre un grand potentiel de haute précision et d'exactitude.
Cependant, la spectroscopie à double peigne nécessite généralement des faisceaux laser intenses, ce qui la rend moins adaptée aux scénarios dans lesquels de faibles niveaux de lumière sont critiques. L'équipe MPQ a maintenant démontré expérimentalement que la spectroscopie à double peigne peut être utilisée efficacement dans des conditions de faible luminosité à des niveaux de puissance plus d'un million de fois inférieurs à ceux généralement utilisés.
Cette avancée a été réalisée en utilisant deux configurations expérimentales distinctes avec différents types de générateurs de peignes de fréquence. L’équipe a développé un interféromètre au niveau des photons qui enregistre avec précision les statistiques de comptage de photons, présentant un rapport signal/bruit à la limite fondamentale. Cette réalisation met en évidence l'utilisation optimale de la lumière disponible pour les expériences et ouvre la perspective de la spectroscopie à double peigne dans des scénarios difficiles où de faibles niveaux de lumière sont essentiels.
Les chercheurs du MPQ ont relevé les défis associés à la génération de peignes de fréquences ultraviolettes et à la construction d'interféromètres à double peigne avec de longs temps de cohérence, ouvrant ainsi la voie à des avancées dans cet objectif convoité. Ils ont parfaitement contrôlé la cohérence mutuelle de deux lasers peignes avec un femtowatt par ligne de peigne, démontrant une accumulation optimale des statistiques de comptage de leur signal d'interférence sur des durées dépassant une heure.
"Notre approche innovante de l'interférométrie à faible luminosité surmonte les défis posés par la faible efficacité de la conversion de fréquence non linéaire et pose une base solide pour étendre la spectroscopie à double peigne à des longueurs d'onde encore plus courtes", commente Bingxin Xu, le chercheur postdoctoral qui a dirigé les expériences.
En effet, une application future passionnante est le développement de la spectroscopie à double peigne à courtes longueurs d’onde pour permettre une spectroscopie moléculaire précise sous vide et dans l’ultraviolet extrême sur de larges étendues spectrales. Actuellement, la spectroscopie UV extrême à large bande est limitée en résolution et en précision et repose sur une instrumentation unique dans des installations spécialisées.
"La spectroscopie ultraviolette à double peigne, bien qu'un objectif ambitieux, est désormais devenue réaliste grâce à nos recherches. Surtout, nos résultats étendent toutes les capacités de la spectroscopie à double peigne aux conditions de faible luminosité, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications en spectroscopie de précision. , la détection biomédicale et le sondage atmosphérique environnemental", conclut Nathalie Picqué.
Les résultats sont publiés dans la revue Nature .
Plus d'informations : Bingxin Xu et al, Spectroscopie à double peigne de comptage de photons dans le proche ultraviolet, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07094-9
Informations sur le journal : Nature
Fourni par la Société Max Planck
