Un collisionneur polyvalent de molécules froides

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Dans un Segev et al. indiquent qu'ils peuvent observer des collisions entre des molécules d'oxygène piégées à des températures basses (inférieures à kelvin), sans utiliser la technique conventionnelle de refroidissement par laser. Ils réalisent cet exploit en ralentissant directement un faisceau moléculaire à mouvement rapide, puis en chargeant les molécules dans un piège généré par des courants électriques circulant dans des aimants supraconducteurs. Pour que cette méthode fonctionne, la seule exigence est que les molécules possèdent un moment dipolaire magnétique, ce qui signifie qu'elles se comportent comme de minuscules aimants en barre. Cette condition est beaucoup moins stricte que celles des autres techniques parce qu'il y a beaucoup de telles molécules dans la nature. Par conséquent, la réalisation des auteurs permet de piéger de nombreux types de molécules pour une inspection détaillée, afin de comprendre les interactions et les réactions de ces molécules à basse température.

Une grande partie de la compréhension actuelle des réactions chimiques a été obtenue en étudiant les collisions moléculaires utilisant un dispositif appelé appareil à faisceau moléculaire croisé. Ce dispositif provoque l'intersection de deux faisceaux d'atomes ou de molécules bien contrôlés et peut ensuite être utilisé pour détecter et suivre les produits de la réaction. Cependant, il est difficile d’utiliser un tel appareil pour étudier les collisions moléculaires à basse température. Les molécules froides, et donc lentes, mettent beaucoup de temps à entrer en contact les unes avec les autres. Mais les faisceaux se déplacent à des vitesses supersoniques, ce qui signifie que les molécules de chaque faisceau ne restent que brièvement dans la même région. Les collisions de molécules froides sont mieux étudiées dans un piège, dans lequel les molécules peuvent rester ensemble et interagir les unes avec les autres sur une période beaucoup plus longue.

Une caractéristique clé d'un faisceau moléculaire est que les molécules se déplacent presque à la même vitesse, même si elle est extrêmement élevée. Comme la température d'une molécule n'est que la manifestation de la rapidité avec laquelle elle se déplace, la vitesse élevée du faisceau signifie que la température associée au mouvement uniforme des molécules est également élevée. Cependant, ce mouvement uniforme implique que la température correspondant au mouvement relatif des molécules est extrêmement basse. Il en résulte que des échantillons de molécules froides peuvent être obtenus en ralentissant le faisceau.

Segev et ses collègues l'ont fait. S'appuyant sur ce que leur groupe de recherche avait déjà démontré, les auteurs ont dirigé un faisceau de molécules d’oxygène à haute vitesse via une série de paires de bobines magnétiques (Fig. 1). En commutant à plusieurs reprises le courant électrique dans ces bobines à des heures précises, les auteurs ont généré un champ magnétique variable qui se déplaçait avec le faisceau. Au cours de chaque cycle d’activation et de désactivation, les molécules ont reçu une légère impulsion et ont légèrement ralenti. Après plusieurs de ces cycles, la vitesse du faisceau a été considérablement réduite de quelques centaines de mètres par seconde à seulement quelques mètres par seconde – suffisamment basse pour que les molécules puissent être chargées dans un piège fixe.

Figure 1 | Une méthode pour refroidir et piéger des molécules. Segev et al. décrivez des expériences dans lesquelles des molécules d'oxygène sous forme de faisceau à grande vitesse traversent une structure connue sous le nom de tube décélérateur, puis une chambre à vide. Lorsque les molécules se propagent, elles sont fortement décélérées par des paires de bobines magnétiques (gris clair et gris foncé). Les molécules résultantes lentes, donc froides, pénètrent dans un piège magnétique généré par deux aimants supraconducteurs. Les molécules restent au centre de ce piège pendant une minute, ce qui permet d’observer leurs collisions. (Adapté de la Fig. 1 du document)

Cependant, avant que le piégeage ne puisse se produire, les molécules d’oxygène ont besoin d’un coup de pouce final fort pour s’arrêter au centre du piège; sinon, ils l'auraient rapidement traversée. Segev et ses collègues ont construit ces aimants en utilisant des bandes supraconductrices refroidies à 15 K – environ un sixième de la température en dessous de laquelle les matériaux de la bande deviennent supraconducteurs. Une température de fonctionnement aussi basse était essentielle pour que les matériaux restent dans la phase supraconductrice lors de la commutation rapide de courants importants nécessaire pour arrêter le faisceau moléculaire ralenti situé au centre du piège.

Bien que l’ensemble du processus de décélération ait réduit la vitesse globale du faisceau, il n’a pas été possible de diminuer la vitesse relative entre les molécules. Les auteurs devaient donc faire passer des courants élevés à travers les aimants supraconducteurs pour générer un puissant piège magnétique. Parce que les matériaux supraconducteurs ont une résistance électrique nulle, ces courants traversent les aimants sans produire de chaleur, ce qui obligerait les surfaces des aimants à émettre des molécules gazeuses. En conséquence, le piège pourrait être utilisé pendant une longue période (presque une minute) sans compromettre les conditions de vide requises.

En maintenant un bon vide, Segev et al. observé la signature de collisions moléculaires à deux corps: une décroissance claire, non-exponentielle du nombre de molécules piégées. Sans un tel vide, cette signature serait masquée par des collisions entre des molécules d'oxygène et des molécules de gaz de fond.

L'observation des collisions à deux corps est une condition préalable à la recherche de nombreux types de dynamique moléculaire. L’une des perspectives les plus intéressantes est la possibilité d’initier un refroidissement par évaporation., ce qui permettrait d’obtenir des températures encore plus basses que celles des auteurs en retirant les molécules de haute énergie du piège. Malheureusement, ce processus reste à démontrer. De plus, les travaux actuels suggèrent qu’un refroidissement par évaporation efficace pourrait ne pas être réalisable dans le cas de molécules d’oxygène, car de nombreuses collisions réduisent le nombre de molécules piégées sans abaisser la température.

Segev et ses collègues ont réussi à piéger un grand nombre de molécules (environ un milliard) à haute densité. Cette condition, associée à la longue durée de vie du piège, est indispensable pour faire avancer la recherche sur les molécules froides. Jusqu'à présent, de telles conditions n'étaient jamais atteintes simultanément sans l'utilisation du refroidissement par laser. Les travaux des auteurs doivent donc être considérés comme un autre point de repère dans ce domaine.

Ces dernières années, d’autres méthodes de production de molécules froides ont également permis des percées décisives.. Par exemple, un état de matière exotique connu sous le nom de gaz quantique dégénéré, comprenant des molécules d’état fondamental, a été fabriqué en assemblant des atomes froids.. Et des molécules simples ont été chargées dans des pièges appelés pincettes optiques à l’aide du refroidissement direct au laser des molécules de l’état fondamental. Aucune de ces méthodes, y compris celle rapportée par Segev et ses collègues, ne peut être appliquée à tous les types de molécules. Mais, en les réunissant, une large gamme de molécules froides sera disponible pour étude. Après plus de deux décennies d'efforts acharnés, le moment est venu d'explorer les grandes promesses des molécules froides dans de nombreuses applications fondamentales et pratiques.,.

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