LPL - Laboratoire de Physique des Lasers

Optique et interférométrie atomiques (OIA)

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Diffraction atomique au travers d'un nano réseau


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1) Composition de l’équipe :

Permanents : Gabriel Dutier, Quentin Bouton, Nathalie Fabre, Francisco Perales, Martial Ducloy.
Etudiants en thèse : Charles Garcion, Julien Lecoffre

 

2) Contexte :

Un atome mis devant une surface est un problème simple mais fondamental de la physique. Il permet d’une part de tester l'électrodynamique quantique et d’autre part il est important pour l’étude des dispositifs nanotechnologiques et des technologies quantiques. En particulier, l’interaction entre l’atome et les fluctuations du champ électromagnétique du vide, qui sont modifiées par la présence de la surface, induit une force sur l’atome. Cette force est appelée la force de Casimir-Polder (C.P).
 

Cette force atome-surface est la force dominante à l’échelle nanométrique. Elle joue par conséquent un rôle important dans de nombreux domaines et interfaces de la physique tels que la physique atomique, la biophysique ou la physico-chimie. La compréhension de cette force est primordiale pour explorer de nouvelles physiques impliquant un atome et un matériau.
 

Dans ce contexte, notre équipe a construit un jet lent d’atomes et étudie la diffraction en transmission de ces atomes à travers un nanoréseau (réseau aux dimensions nanométriques avec par exemple des fentes de largeur 100 nm, une période 200 nm et une épaisseur 100 nm). L’équipe fabrique ses propres nanoréseaux dans le cadre du réseau national RENATECH à l'Institut d'Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN, Lille). Notre approche permet de sonder l’interaction de C.P pour des distances typiques de l’ordre de plusieurs dizaines de nanomètres (entre 10 et 50 nm).
 

3) Expérience :

Notre source atomique est constituée d’atomes d'argon dans l'état métastable 43P2 et est refroidie par laser. Les atomes sont ensuite poussés à l’aide d’un faisceau laser pour créer un jet d’atomes lent avec des vitesses comprises entre 10 m/s et 50 m/s. Les atomes du jet passent à travers les fentes du nanoréseau et interagissent avec les barreaux via le potentiel de C.P. Ils sont par la suite détectés avec une galette à micro-canaux (Figure 1). Le déphase du paquet d’onde induit par l’interaction de C.P modifie profondément la figure de diffraction mesurée (déphase proportionnel au temps d’interaction avec la surface). Nos mesures sont très sensibles aux forces de C.P (Figure 2).

 

Figure 1

Figure 1 : Schéma de l’expérience. Les atomes d’argon interagissent avec les barreaux du nanoréseau via le potentiel de C.P. Cette interaction modifie la figure de diffraction. Il est donc possible d’extraire des informations sur le potentiel de C.P de l’analyse de celle-ci.
 

Figure 2
 

Figure 2 : Figure de diffraction obtenues pour un jet atomique avec une vitesse de 26 m/s (en bleue). L’angle θ représente l’angle de diffraction. On a représenté en rouge la courbe théorique attendue sans prendre en compte l’interaction de C.P. La différence entre la courbe bleue et la courbe rouge montre l’influence de l’interaction de C.P sur la figure de diffraction.
 

Cette approche nous a permis pour la première fois de distinguer le régime retardé du régime non retardé pour une distance atome-surface inférieure à 50 nm [2]. Cependant, l’accord avec la théorie est seulement de 5-10 %. Notre premier objectif est d’améliorer cet accord. Pour cela, nous collaborons avec l'Université de Leibniz à Hanovre (Allemagne) pour résoudre le potentiel exact avec l'équation de Schrödinger. De plus, nous sommes en train d’utiliser des réseaux de neurones pour étudier avec précision la figure de diffraction. L’objectif court terme est de mesurer le potentiel de C.P avec une précision de l’ordre du pourcent. Dans ce contexte, nous proposons un stage de Master 2 (voir ici).
 

Dans le futur, ces travaux permettront d’explorer de nouvelles méthodes pour contrôler l’interaction de C.P. L'utilisation de l'isotope 36 de l'Argon permettrait aussi de contraindre une déviation au potentiel gravitationnel non-Newtonien à très courtes distances par comparaison avec les spectres de l'Argon 40 [3].
 

4) Photo de groupe :

Photo de l'équipe
Septembre 2022. Image de gauche (de la gauche vers la droite) : Francisco Perales, Charles Garcion,
Quentin Bouton, Julien Lecoffre, Gabriel Dutier et Nathalie Fabre. Image de droite : Martial Ducloy.

 

5) Offre de stage/thèse/post-doc :


Nous sommes toujours à la recherche de doctorants, post-doctorants ou stagiaires pour rejoindre notre équipe. N'hésitez surtout pas à nous contacter !

Cette année, nous proposons un stage de M2. Voir l’annonce ici.
 

6) Contact :
Gabriel Dutier, Quentin Bouton, Nathalie Fabre

 

7) Anciens membres :
- Hajra Ghulam (2022, M1, Université de Paris)
- Fabio D’ORTOLI-GALERNEAU (2022, L3, ENS)
- Baazia Elmehdi (2022, Ingénierie en Instrumentation, Institut Sup Gallilée)
- Hanane Bricha Tazi (thèse 2016-2019) - Franck Correia (thèse 2015-2018)
- Mehdi Hamamda (2012-2015)
- Thierry Taillandier-Loize (thèse 2011-2014)

 

8) Références :
[1] T. Taillandier-Loize, S. A Aljunid, F. Correia, N. Fabre, F. Perales, J.M Tualle, J.Baudon, M. Ducloy and G. Dutier, A simple velocity-tunable pulsed atomic source of slow metastable argon, J. Phys. D: Appl. Phys, 49, 13, 135503, (2016).
[2] C. Garcion, N. Fabre, H. Bricha, F. Perales, S. Scheel, M. Ducloy, and G. Dutier, Intermediate-Range Casimir-Polder Interaction Probed by High-Order Slow Atom Diffraction, Phys. Rev. Lett. 127, 170402 (2021).
[3] R. Onofrio, Casimir forces and non-Newtonian gravitation, New J. Phys. 8 237 (2006).

 

9) Des images de l’expérience :

Image Finale

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