LPL - Laboratoire de Physique des Lasers

Métrologie, Molécules et Tests Fondamentaux (MMT)

L’équipe Métrologie, Molécules et Tests Fondamentaux développe des expériences de spectroscopie moléculaire à ultra-haute résolution dans l’infrarouge et de métrologie des fréquences optiques.

Ses projets de recherche sont regroupés autour des axes suivants :

 

Mesures d’effets de violation de la parité avec des molécules chirales froides

Benoît Darquié, Olivier Lopez, Anne Amy-Klein, Christophe Daussy, Christian Chardonnet, Matthieu Pierens (doctorant), Dang Bao An Tran (doctorant), Louis Lecordier (doctorant), Mathieu Manceau (postdoc), Anne Cournol (postdoc)

Visiteur : Alexander Shelkovnikov (Lebedev Physics Institute, Moscow)
Ancien membre : Sean Tokunaga (maître de conférences)

 

Nous développons une horloge moléculaire de nouvelle génération, conçue pour la spectroscopie vibrationnelle de précision de molécules polyatomiques complexes en phase gazeuse. Les technologies proposées sont à l’avant-garde de la recherche sur les molécules froides et de la métrologie des fréquences, et ouvrent des perspectives quant à l’utilisation de molécules polyatomiques pour des tests de physique fondamentale et l‘exploration du modèle standard. Ce dispositif sera tout d’abord utilisé pour la mesure de la toute petite différence d’énergie entre les énantiomères d’une molécule chirale, la signature d’un effet de violation de la parité (symétrie droite-gauche) induite par l’interaction électrofaible, qui n’a encore jamais été observée. L’expérience que nous développons a été qualifiée de "frontier experiment" par la revue Naturea. Cette mesure est importante pour plusieurs raisons. C’est une façon de sonder l’interaction faible et constituerait donc un test du modèle standard. Elle permettra aussi d’apporter un éclairage sur l’origine de l’homochiralité biologique, le fait encore inexpliqué que la vie sur terre ne fonctionne qu’avec des acides aminés L et des sucres D, pas avec leurs images dans un miroir.

Nous construisons donc un dispositif d’interférométrie de Ramsey sur jet moléculaire utilisant des lasers moyen infrarouges ultra-étroits, calibrés sur les standards primaires de fréquence (nous tirons parti pour cela de notre travail sur le transfert de fréquence par lien otique). Nous serons alors capables de mesurer des fréquences absolues avec une incertitude de 10-14 et des différences de fréquences résultant de la violation de la parité avec une incertitude meilleure que 10-15 [1]. Par ailleurs, nos collaborateurs chimistes sont maintenant en mesure de nous fournir des échantillons de molécules chirales, qui bien qu’à l’état solide, ont une différence de fréquence induite par la violation de la parité attendue à quelques 10-14 [2].

 

Résultats récents
Nous avons effectué des expériences préliminaires sur le methyltrioxorhenium (MTO), l’espèce achirale parente des molécules candidates idéales. Nous avons enregistré des spectres Doppler et sous-Doppler dans des cellules à 300 K ou cryogéniques et en jets supersoniques. Nous avons utilisé ces données dans une analyse combinée de spectres microondes, en onde millimétrique et infrarouges, qui a permis de construire un modèle spectroscopique très précis, incluant la structure hyperfine de cette espèce complexe et lourde [3,4].

Les jets refroidis par buffer-gas peuvent atteindre les faibles températures, faibles vitesses et intensités élevées nécessaires pour maximiser la résolution et la précision statistique. En collaboration avec l’Imperial College London, nous avons démontré le refroidissement buffer-gas d’une espèce organométallique – il s’agit du MTO – pour la première fois, élargissant ainsi la technique à une nouvelle classe de molécules particulièrement intéressantes pour les mesures de violation de la parité [4].

Nous avons aussi commencé à remplacer nos lasers à CO2 ultra-stables historiques par des lasers à cascade quantique (QCLs). Les QCLs permettent d’accéder à l’ensemble de l’infrarouge moyen, et donc à nombre bien plus importants d’espèces candidates potentielles. Nous avons asservi en phase un QCL sur un laser à CO2 ultra-stable et ainsi transféré les propriétés spectrales métrologiques du laser à CO2 vers le QCL [5]. Nous avons également développé une méthode permettant d’asservir n’importe quelle source moyen infrarouge à un peigne de fréquence référencé aux standards primaires de fréquence de l’institut de métrologie national français, ce qui a permis d’atteindre des stabilités et exactitudes records [6] (voir plus de plus de détails ici, ainsi que dans la revue Physics Todayb).

 

a N Jones, Tough Science – Five experiments as hard as finding the Higgs, Nature 481, 14 (2012)

b JL Miller, Precision spectroscopy comes to the mid-IR, Phys. Today 68(8) 16 (2015)

 

Figure : Du fait de l’interaction nucléaire faible, les énantiomères droit et gauche d’une molécule chirale ne sont pas image l’un de l’autre dans un miroir.

Figure : Du fait de l’interaction nucléaire faible, les énantiomères droit et gauche d’une molécule chirale ne sont pas image l’un de l’autre dans un miroir.

 

Contact
Benoît Darquié

 

Financements
Agence Nationale de la Recherche (ANR), Région Île-de-France via le Domaine d’Intérêt Majeur - Des atomes froids aux nanosciences (DIM-NanoK)

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Références 

  1. S. K. Tokunaga, C. Stoeffler, F. Auguste, A. Shelkovnikov, C. Daussy, A. Amy-Klein, C. Chardonnet and B. Darquié,
    Probing weak force induced parity violation by high resolution mid-infrared molecular spectroscopy,
    Mol. Phys. 111, 2363-2373 (2013); arXiv
  2. N Saleh, R Bast, N Vanthuyne, C Roussel, T Saue, B Darquié and J. Crassous,
    An oxorhenium complex bearing a chiral cyclohexane-1-olato-2-thiolato ligand: synthesis, stereochemistry and theoretical study of parity violation vibrational frequency shifts,
    Chirality, in press (2017).
  3. P Asselin, Y Berger, TR Huet, L Margulès, R Motiyenko, RJ Hendricks, MR Tarbutt, SK Tokunaga and B Darquié,
    Characterising molecules for fundamental physics: an accurate spectroscopic model of methyltrioxorhenium derived from new infrared and millimetre-wave measurements,
    Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 4576-4587 (2017); arXiv
  4. SK Tokunaga, RJ Hendricks, MR Tarbutt and B Darquié,
    High-resolution mid-infrared spectroscopy of buffer-gas-cooled methyltrioxorhenium molecules,
    New J. Phys. 19, 053006 (2017); arXiv
  5. PLT Sow, S Mejri, SK Tokunaga, O Lopez, A Goncharov, B Argence, C Chardonnet, A Amy-Klein, C Daussy and B Darquié,
    A widely tunable 10-µm quantum cascade laser phase-locked to a state-of-the-art mid-infrared reference for precision molecular spectroscopy,
    App. Phys. Lett. 104, 264101 (2014); arXiv
  6. B Argence, B Chanteau, O Lopez, D Nicolodi, M Abgrall, C Chardonnet, C Daussy, B Darquié, Y Le Coq and A Amy-Klein,
    Quantum cascade laser frequency stabilization at the sub-Hz level,
    Nature Photon. 9, 456–460 (2015); arXiv

 

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