Stopper les vibrations de molécules par pompage optique laser.

Les techniques de refroidissement laser développées pour les atomes ne s’appliquent pas aux molécules. Il est cependant possible à l’aide d’un laser d’associer deux atomes froids pour former une molécule froide. Toutefois, si la vitesse de déplacement de la molécule est alors très petite, l’agitation des atomes dans la molécule –c’est-à-dire la vibration – est importante. Une équipe du laboratoire Aimé Cotton vient de développer une nouvelle technique permettant de refroidir les vibrations des molécules.

Les physiciens du Laboratoire Aimé Cotton ont adapté aux molécules la technique du pompage optique, introduite par le physicien Alfred Kastler pour préparer un atome dans un état donné. Pour les atomes, le principe consiste à exciter ceux qui se trouvent dans les niveaux d’énergie que l’on cherche à vider sans agir sur ceux qui se trouvent dans l’état que l’on cherche à remplir. Lors de ce processus, ils ont une certaine probabilité de retomber par émission spontanée dans le niveau voulu. Au fur et à mesure des cycles absorption-émission, les atomes sont progressivement transférés dans l’état voulu. Pour les atomes, quelques lasers de fréquences bien définies suffisent à exciter les niveaux voulus. Pour les molécules en revanche, le très grand nombre de niveaux ne permet pas d’utiliser un laser par transition, ce qui interdisait jusqu’à présent l’utilisation du pompage optique. Afin de palier ce problème, les physiciens ont utilisé un laser femtoseconde dont le caractère spectral à très large bande permet d’exciter l’ensemble de niveaux de vibration. Ils ont façonné la distribution spectrale du laser de manière à supprimer les raies d’excitation du niveau de vibration fondamental, permettant ainsi d’accumuler les molécules dans ce niveau. L’expérience est réalisée avec des molécules froides dimères de césium obtenues après photoassociation d’atomes froids de césium. Après le passage d’une dizaine de milliers d’impulsions du laser femtoseconde, correspondant à un temps de l’ordre de cent microsecondes, plus de 70 % des molécules se retrouvent dans le niveau sans vibration. La méthode ne se restreint pas aux molécules froides et devrait offrir de nombreuses applications pour manipuler et refroidir les degrés de liberté interne d’une molécule (rotation et vibration), mais aussi les degrés de liberté externe, ouvrant de nombreuses perspectives au refroidissement par laser de molécules, défi auquel rêve la communauté scientifique depuis plus de 20 ans.

Vue d’artiste et résultats expérimentaux représentant l’interaction des molécules avec un train d’impulsions laser, provoquant le refroidissement de leur mouvement de vibration.