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Spectroscopie atomique aux interfaces (SAI)

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Spectroscopie Atomique aux Interfaces (SAI)

Membres permanents : Athanasios Laliotis (MCF HC, responsable du groupe), Isabelle Maurin (MCF HC), Daniel Bloch (DR1 émérite), Martial Ducloy (DRCE émérite).

Membres non permanents : Biplab Dutta (doctorant), Hippolyte Mouhanna (doctorant), Esther Butery (doctorante), Natalia De Melo (post-doc).


Le groupe SAI réalise des études spectroscopiques de gaz atomiques et moléculaires confinés à l'échelle micro et nanométrique. Les objectifs de nos expériences sont les suivants :

  1. Études expérimentales et théoriques de l'interaction fondamentale Casimir-Polder avec des atomes ou des molécules.
  2. Dispositifs compacts basés sur des gaz atomiques ou moléculaires avec des applications en métrologie des fréquences et en technologies quantiques.
  3. Spectroscopie linéaire de molécules confinées pour enrichir les bases de données moléculaires et contribuer à la quantification atmosphérique.

Nous avons une collaboration étroite avec le groupe MMTF sur la thématique de la spectroscopie moléculaire et de la métrologie des fréquences, en exploitant ainsi le savoir-faire du LPL. Le groupe SAI dispose également d'un large réseau international de collaborations avec :

  • S. Scheel (théoricien de l'optique quantique) à l'Université de Rostock sur la thématique des interactions Rydberg-surface et molécule-surface (projet international ANR-DFG).
  • H. Failache et A. Lezama à l'IFFU Montevideo sur la spectroscopie des vapeurs atomiques confinées et le couplage des atomes de Rydberg avec des résonateurs THz (LIA International franco-uruguayen et plusieurs projets bilatéraux ECOS-Sud).
  • J. C de Aquino Carvalho à l'UFPE de Recife au Brésil sur la spectroscopie Casimir-Polder.
  • M. Oria et M. Chevrollier à l'UFRPE sur la spectroscopie atomique.
  • D. Wilkowski et R. Singh au NTU Singapour sur les interactions atome-metamatériau et le couplage Rydberg avec des résonateurs THz (projet international ANR-DFG).

Contact : Athanasios Laliotis


Études expérimentales et théoriques de l'interaction fondamentale Casimir-Polder.

Les fluctuations du champ électromagnétique dans le vide sont modifiées par la présence d'une surface réfléchissante. Ceci donne lieu aux interactions, généralement attractives, entre deux objets macroscopiques (effet Casimir) ou entre un objet quantique (atome ou molécules) et une surface macroscopique (effet Casimir-Polder). Les interactions de type Casimir sont des prédictions fondamentales de l'électrodynamique quantique et sont extrêmement importantes pour notre compréhension des propriétés électromagnétiques de la matière et de la nature du vide quantique. Elles sont également importantes dans le domaine des nanotechnologies et des technologies quantiques émergentes.


Le groupe SAI a développé la réflexion sélective (sur des cellules de gaz macroscopiques) et la spectroscopie à cellules minces (cellules de gaz d'épaisseur nanométrique) comme deux méthodes pour mesurer les interactions Casimir-Polder. Grâce à ces techniques, le groupe a été un pionnier aux études des interactions Casimir-Polder avec des atomes à l'état excité et a étudié sa dépendance en distance jusqu'à 50 nm [M. Fichet et al. EPL, 77, 54001 (2007)]. Nos résultats les plus importants sont : la démonstration du couplage des atomes avec les polaritons de surface conduisant à la répulsion atome-surface [H. Failache et al. Phys. Rev. Lett. 83, 5467, (1999)], la dépendance en température de l'interaction Casimir-Polder [A. Laliotis et al. Nat. Commun, 5, 4364 (2014)] et l'utilisation d'atomes comme sondes d'émission thermique dans le champ proche d'une surface chaude [J. C. de Aquino Carvalho et al. Phys. Rev. Lett., 131, 143801 (2023)]. L'interaction des atomes excités avec les surfaces à des températures élevées est toujours un sujet d'intérêt pour notre groupe.
 

Figure1
Figure 1 : (A. Laliotis et al. Nat. Commun 5:4364, 2014). Signaux de réflexion sélective (courbes bleues et rouges) sur l'interface entre une surface de saphir et une vapeur de césium. Les lignes noires en pointillés représentent nos ajustements qui permettent de mesurer les interactions entre les atomes et la surface. Dans l'encadré (ligne verte), nous montrons le spectre prédit en l'absence d'interactions atome-surface.


Le groupe concentre désormais ses efforts vers deux directions :

  • Interactions Rydberg-surface Les atomes très excités (atomes de Rydberg) ont des moments électriques extrêmement larges et interagissent très fortement avec leur environnement. Pour cela, ils trouvent un intérêt dans les tests fondamentaux de QED mais aussi dans les technologies quantiques. Notre groupe effectue de la spectroscopie de Rydberg dans des cellules de vapeur, mesurant d'énormes interactions Rydberg-surface. Nos mesures testent les limites de la théorie perturbative QED. Notre objectif est d'étudier les interactions atome-surface d'ordre supérieur liées aux moments atomiques quadripolaires et octupolaires. Ces termes vont au-delà de l'approximation dipolaire (développée par Casimir et Polder) et n'ont jamais été testés expérimentalement. En raison de leur grande taille (comparable à la distance atome-surface), les Rydbergs sont d'excellents bancs d'essai pour de telles mesures, ce qui nous permet de tester le champ proche extrême des interactions atome-surface.

Figure 2
Figure 2 : Nanocellule d'épaisseur variable remplie de vapeur de césium. Un faisceau laser vert traverse la cellule et sonde des atomes de Rydberg à quelques centaines de nanomètres des fenêtres de la cellule.

  • Interactions molécule-surface

Les molécules sont des objets quantiques avec une géométrie complexe. L’étude des interactions molécule-surface permet donc de tester les effets d’anisotropie ou de chiralité sur des interactions Casimir-Polder. Cependant, la complexité des molécules les rend également difficiles à maîtriser expérimentalement. Notre groupe a récemment surmonté de nombreux défis et utilise maintenant la technologie QCL (laser à cascade quantique) pour sonder les gaz moléculaires par réflexion sélective [J. Lukusa Mudiayi et al. Phys. Rev. Lett., 127, 043201 (2021)] ou par spectroscopie de cellules minces (cellules de gaz d'une épaisseur micrométrique). Notre objectif est maintenant de sonder les molécules à l'échelle nanométrique, afin de mesurer les interactions molécule-surface. À cette fin, nous construisons actuellement une nouvelle expérience pour sonder les molécules HF à l'intérieur de nanocellules (cellules à gaz d'épaisseur nanométrique).


Financement : Projet international ANR-DFG 'SQUAT' (Shaping the Quantum vacuum around Atoms and molecules) dirigé par A. Laliotis (France, USPN) et S. Scheel (Allemagne, Université de Rostock). Projet MITI "xNF High-T Emission" (D. Bloch)


Dispositifs compacts basés sur des gaz atomiques ou moléculaires avec des applications en métrologie des fréquences et en technologies quantiques.


La spectroscopie des gaz confinés à une échelle comparable à la longueur d'onde d'excitation peut conduire à des signaux linéaires sub-Doppler sans l’utilisation de techniques spectroscopiques non-linéaires compliqués. La raison de ce comportement spectroscopique extraordinaire est liée à la réponse transitoire des atomes ou des molécules qui interagissent brièvement avec la lumière laser lorsqu'ils volent entre les parois qui les confinent. Notre groupe tente actuellement d'exploiter ces effets de rétrécissement spectral afin de fabriquer des références de fréquence compactes aux longueurs d'onde de télécommunication, basées sur des cellules minces remplies d'acétylène dont l'épaisseur est accordable. Nous fabriquons également une nouvelle cellule nanofabriquée qui nous permettra de sonder des atomes (ou des molécules) confinés en 3D ou 2D, dans des interstices de géométrie bien contrôlée. Cette nouvelle génération de cellules à gaz nous permettra de mieux comprendre les effets du confinement sur les spectres atomiques et moléculaires.


Financement : Labex FIRST-TF 'SoMoCo' (A. Laliotis), CNRS Tremplin (I. Maurin)


Spectroscopie linéaire de molécules confinées pour enrichir les bases de données moléculaires et contribuer à la quantification atmosphérique.


Les informations spectroscopiques sur les molécules peuvent être trouvées dans de grandes bases de données (telles que la base de données HITRAN, High-resolution TRANsmission molecular absorption) qui présentent un intérêt pour la physique fondamentale, mais aussi pour la physique atmosphérique. Généralement, la spectroscopie moléculaire est réalisée par absorption linéaire (linéaire mais à faible résolution limitée par l'effet Doppler ou l'élargissement instrumental) ou par absorption saturée (à haute résolution mais non linéaire). Notre groupe a étudié la spectroscopie à cellules minces qui présente un moyen simple d'atteindre une haute résolution de fréquence couplée à la linéarité (par rapport à la puissance optique). Il s'agit d'une nouvelle façon attrayante d'effectuer la spectroscopie rovibrationnelle qui permet d'extraire simultanément des informations sur les positions de fréquence et les amplitudes des transitions moléculaires. Nous utilisons actuellement la spectroscopie à cellules minces pour obtenir davantage d'informations sur les molécules de SF6 (un gaz à effet de serre). Nos mesures pourraient éventuellement permettre une détermination plus précise des concentrations de SF6 dans l'atmosphère.


Liste de publications récentes

  1. J. C de Aquino Carvalho, I. Maurin, P. Chaves de Souza Segundo, A. Laliotis, D. De Sousa Meneses, D. Bloch, ‘Spectrally Sharp Near-Field Thermal Emission: Revealing Some Disagreements between a Casimir-Polder Sensor and Predictions from Far-Field Emittance Physical Review Letters, 131, 1439801, (2023).
  2. J. Lukusa Mudiayi, I. Maurin, T. Mashimo, J. C. de Aquino Carvalho, D. Bloch, S. Tokunaga, B. Darquié, A. Laliotis, ‘Linear probing of molecules at micrometric distances from a surface with sub-Doppler resolution’, Physical Review Letters 127, 043201 (2021).
  3. A. Laliotis, Bing-Sui Lu, M. Ducloy, D. Wilkowski, ‘Atom-surface physics : A review’, AVS Quantum Science 3, 043501 (2021).
  4. E. A. Chang, S. Abdullah Aljunid, G. Adamo, A. Laliotis, M. Ducloy, D. Wilkowski ‘Tuning Casimir-Polder interactions in atom-metamaterial hybrid devices’, Science Advances. 4, eaao4223 (2018).
  5. A. Laliotis, T. Passerat de Silans, I. Maurin, M. Ducloy, D. Bloch, ‘Casimir-Polder interactions in the presence of thermally excited surface modes’, Nature Communications 5, 5364, (2014).

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