Laboratoire Aimé Cotton

Ce projet, proposé par un consortium de partenaires expérimentaux et théoriques, vise à résoudre le problème à petit nombre de corps dans un gaz froid d'atomes lanthanides. En raison des grands couplages dipolaires magnétiques présents dans ces fluides, leurs propriétés diffèrent radicalement de celles des gaz d'alcalins bien connus. L'ajustement des interactions binaires par un champ magnétique révèle une forte densité de résonances de diffusion qui ne sont pas encore totalement comprises et qu'on modélise à partir d'outils issus de la théorie des matrices aléatoires. Notre premier objectif est de caractériser ces résonances sur une nouvelle plateforme expérimentale, et de les interpréter en combinant le calcul précis des interactions à longue portée et les interactions paramétriques à courte portée décrites par le code numérique que nous avons développé. Nous commencerons par distinguer les effets à deux et à trois corps pour un gaz polarisé, puis nous étendrons cette étude au cas non polarisé, où plus de canaux de collision sont disponibles. Cette compréhension est essentielle pour l'utilisation du couplage spin-orbite dans les gaz de lanthanides. Enfin, nous aborderons le cas d'un mélange dysprosium-potassium. En utilisant une géométrie de confinement spécifique, notre objectif est de prédire et d'observer de nouveaux trimères Dy2K (stables !), résultant de la combinaison des interactions dipolaires Dy-Dy et de la liaison fournie par l'atome K. Ces trimères peuvent être considérés comme des parents des trimères d'Efimov (de courte durée de vie !) prédits en physique nucléaire et observés avec des atomes froids. La valeur ajoutée du projet réside dans la combinaison de mesures de haute précision et de calculs numériques de pointe pour identifier les principales lois sous-jacentes qui régissent les interactions au sein de ces gaz. Cette recherche jettera les bases de l'exploration de nouvelles phases de la matière quantique avec des objets composites originaux.

Le projet combine l'expertise des groupes NSF de Jonathan Weinstein (expérimentation) et Andrei Derevianko (théorie) à l'Université du Nevada, Reno, en collaboration avec le groupe ANR de Daniel Comparat au Laboratoire Aimé Cotton, Université Paris Saclay, CNRS. Nous proposons d'étendre nos recherches vers deux nouveaux objectifs : * L'utilisation d'atomes alcalins isolés dans une matrice comme capteurs quantiques pour une mesure de physique fondamentale : le moment anapolaire nucléaire (MAN) du Césium-133. * L'utilisation d'états de superposition non classiques pour améliorer le temps de déphasage de spin de l'ensemble (T2*), et donc potentiellement améliorer la sensibilité statistique à la mesure du MAN. Malgré l'incroyable succès du Modèle Standard de la Physique des Particules, il reste encore des problèmes non résolus significatifs. Beaucoup de ces problèmes sont liés à la violation de symétrie : Charge, Parité, Temps, et leurs combinaisons. Par exemple, le modèle standard ne contient pas assez de violation de C et CP pour expliquer le déséquilibre matière-antimatière dans notre univers, nécessitant une physique au-delà du modèle standard. Dans le modèle standard, il existe un désaccord de longue date entre les mesures de physique atomique et nucléaire du moment anapolaire nucléaire violant la parité (MAN). Nous étudierons le Césium-133, un atome pour lequel la théorie peut relier les mesures atomiques aux paramètres de la physique fondamentale, piégé dans une matrice de gaz noble solide à des températures cryogéniques. Sur la base de nos travaux antérieurs établissant les propriétés de détection quantique de ce système, ainsi que des attentes théoriques sur la manière dont le MAN est renforcé par la matrice, l'effet du MAN devrait être facilement observable. Notre principal objectif sera d'enquêter sur la faisabilité de cette mesure et les systématiques potentielles associées à l'environnement à l'état solide. Pour améliorer la sensibilité de la mesure, nous étudierons des états de superposition non classiques, dont nous attendons qu'ils apportent une amélioration de plusieurs ordres de grandeur dans le temps de déphasage de spin (T2*) qui limite la sensibilité des mesures de détection quantique. Si cela réussit, cela serait important pour la détection quantique en général, la détection quantique pour la physique fondamentale, et pour éclaircir le mystère du MAN. Ce projet comprend le soutien à la formation des étudiants et des post-doctorants en science expérimentale, l'amélioration de l'infrastructure de recherche en physique atomique cryogénique, la promotion de la diversité dans la recherche, et l'avancement des applications de la physique atomique.

Electron and Ion beams have become indispensable tools in surface and materials science. Many applications rely on extreme miniaturization, like in nanostructuring and doping, which imposes to control the energy, the number and the locations of electrons or ions at the nanometric level. The CITRON project aims at achieving breakthroughs in focused ion and electron beams, exploiting monochromaticity in the low-energy domain (eV-keV) to reach such a fine level of control of the sources of charged particles. In contrast with standard tools, the proposed developments rely on the ionization of a neutral atomic species and on the simultaneous production, detection and control of both the ion and the electron. Such a detection in coincidence yields correlated information on both particles that can be used to improve the beam properties, like the deterministic knowledge of the creation of the charged particles, and the correction of their trajectories in real time. Using this novel technique, which I have recently demonstrated the feasibility with my group, I propose to develop three innovative prototypes: • 1) A focused ion beam using feedback control with unprecedented focused properties. I will used it to realize semiconductor circuit-editing at the (sub-)nm scale. • 2) A deterministic source of (potentially) any type of ion for controlled implantation at the nm level. I will use it for on-demand doping of quantum devices. • 3) A high-resolution electron-energy-loss microscope with precise knowledge of the electron energy and the position on the sample. I will use it to realize both imaging and vibrational spectroscopy for surface analysis. The synergy between the three prototypes is based on atomic beam laser excitation to create a monoenergetic beam of charged particles, with energy and position controlled by correlation between oppositely charged particles. All will require dedicated optical columns designs and fast time and position sensitive detectors.

La microscopie et la spectroscopie électroniques ont fait des progrès spectaculaires ces dernières années en termes de résolution spatiale, spectrale et temporelle. Ces avancées ont révolutionné des domaines allant de la biologie à l'optique quantique. Dans ce contexte, les spectromicroscopies basées sur la spectroscopie de perte d'énergie d’électrons (EELS) permettent théoriquement d'accéder à toute la gamme des excitations allant de l'infrarouge lointain (phonons) aux rayons X durs (excitons, plasmons, etc.). Ainsi, la spectromicroscopie de surface (LEEM) et la spectromicroscopie de volume (STEM-EELS) sont utilisées pour la caractérisation chimique, électronique, optique et vibrationnelle à l'échelle nanométrique, voire atomique. Avec la cathodoluminescence (CL), le STEM-EELS a été utilisé pour réaliser la spectroscopie d'excitation de cathodoluminescence (CLE), une technique capable de mesurer l'efficacité quantique relative des matériaux. Cependant, le LEEM et le STEM sont tous deux handicapés par l'absence de détecteurs ayant une résolution temporelle supérieure à 10 ns : le LEEM ne peut accéder aux résolutions spectrales pertinentes pour l'étude des vibrations de surface, et le STEM-CLE ne peut accéder aux résolutions temporelles pertinentes pour l'étude des excitons. Dans ce projet, nous visons à développer des détecteurs pixellisés résolus en temps basés sur une nouvelle génération de détecteurs d’électrons directs, à savoir les détecteurs Timepix4, avec une résolution temporelle sans précédent de moins de 200 ps. Cela nous permettra d'accéder pour la première fois à l'ordre de la transition de phase des surfaces ferroélectriques et à l'efficacité quantique des matériaux pour diodes électroluminescentes. L'accès privilégié à ces détecteurs encore non commerciaux, l'expertise des membres en mécanique, électronique, techniques du vide, interfaçage et traitement des données, nous permettront de développer des prototypes uniques de LEEM haute résolution (HRLEEM) et de STEM-TRCLE à résolution temporelle. L’usage du détecteur développé dans le cadre du projet TPX4 ne sera pas limité aux applications STEM-TRCLE et HRLEEM. Il pourrait avoir un impact sur toutes les communautés concernées par la détection des photons et des particules chargées.

Des expériences récentes basées sur des atomes alcalins (monovalents) piégés dans des ensembles de micro-pièges optiques, contrôlés individuellement, et excités dans des niveaux de Rydberg, ont montré la pertinence de cette approche pour manipuler l’information quantique. Notre équipe, pionnière dans l’étude d’excitation de Rydberg d’atomes divalents avec l’ytterbium, a très récemment réussi la manipulation optique d’atomes de Rydberg via l’électron de cœur restant, une technique appelée Excitation de Cœur Ionique (ICE), en s’affranchissant du problème de l’auto-ionisation, une limitation majeure de cette technique prometteuse. Le coordinateur s’appuiera sur ce succès pour créer et diriger une nouvelle équipe dédiée à la manipulation d’information quantique avec l’atome d’ytterbium. Pour ce faire, il reprendra le dispositif existant, dédié à l’étude de gaz de Rydberg gelés d’ytterbium issus d’un piège magnéto-optique. Grâce à son expertise dans la conduite d’expériences basées sur des atomes ultra-froids, il fera évoluer ce dispositif pour rejoindre les meilleurs standards relatifs aux plateformes basées sur des atomes piégés dans des micro-pièges optiques. En s’appuyant à la fois sur son expérience acquise dans la physique des atomes de Rydberg, ainsi que sur une collaboration déjà fructueuse avec les membres de son équipe actuelle qui ont une expertise reconnue dans ce domaine, il conduira des expériences démontrant la maturité des perspective enthousiasmantes données par les atomes alcalino-terreux. Parmi celles-ci, l’ICE fournira un outil original et puissant pour réaliser des expériences novatrices dans les domaines de la simulation quantique et du développement d'ordinateurs quantiques.

Nous proposons d'exploiter les propriétés remarquables des états de Rydberg pour faire avancer l'état de l'art des horloges atomiques optiques et des capteurs de champs électromagnétiques. La polarisabilité exceptionnelle des états de Rydberg sera utilisée pour mesurer précisément des champs micro-ondes. Cette méthode sera appliquée à la mesure du rayonnement du corps noir dans les horloges à réseau optique, et à l'imagerie électromagnétique de haute résolution dans une matrice d'atomes uniques, ces deux capteurs quantiques nécessitant des sensibilités similaires. Dans un deuxième temps nous explorerons des méthodes pour obtenir des mesures résolues en fréquence : dans la matrice d'atomes unique, chaque atome en adressera une fréquence différente, et dans les horloges nous viserons des transitions sensibles dans le domaine THz, proche du pic d'émission du rayonnement du corps noir. Enfin, nous exploiterons l'expérience théorique et expérimentale acquise dans ce projet pour définir des perspectives d'utilisation d'états intriqués afin de surpasser la limite quantique standard des capteurs quantiques. Pour atteindre ces objectifs, le consortium regroupe trois partenaires reconnus pour leur expertise en atomes de Rydberg, en capteurs quantiques à l'état de l'art et en manipulation d’états intriqués entre des atomes uniques.

L'étude des collisions moléculaires à des températures ultra-froides est de la plus haute importance pour la chimie quantique, la physique atomique et moléculaire, la métrologie ainsi que la simulation quantique et l'information quantique. L'objectif de ce projet collaboratif, d'une durée totale de 3 ans, est de trouver de nouvelles façons de contrôler les propriétés de collision des molécules diatomiques polaires NaK piégées à des énergies ultra-basses. En particulier, nous étudierons la possibilité prévue de modifier les interactions entre les molécules piégées en utilisant des champs optiques appropriés. OpEnMInt a deux objectifs principaux : (i) La manipulation/l'écrantage de l'interaction molécule-molécule pour limiter ou supprimer complètement les pertes à deux corps indésirables. (ii) L'étude de nouveaux états moléculaires liés induits par le champ optique. On s'attend à ce qu'un tel "écrantage optique" prolonge la durée de vie des molécules dans le piège, ce qui est une condition préalable à de nombreuses applications pratiques dans les domaines de recherche ci-dessus. Dans les ensembles bosoniques ultra-froids de NaK, la durée de vie est actuellement limitée à environ 100 millisecondes en raison de mécanismes de perte qui ne sont pas encore entièrement compris. Pour cette raison, la molécule NaK est un système très approprié pour étudier l'approche générique de l'écrantage optique. En outre, la présence de niveaux liés induits par le champ permettrait de faire varier la longueur de diffusion des molécules sur une large gamme, ce qui améliorerait les capacités de refroidissement par évaporation. Une telle ingénierie des interactions moléculaires, rendue possible par la dynamique induite par la lumière, nécessite une connaissance précise de la structure moléculaire et des transitions optiques dans les ensembles de molécules NaK, qui sera obtenue par des mesures spectroscopiques. Cette connaissance permet ensuite (i) l'écrantage optique des interactions du NaK en utilisant des énergies de photons supérieures à celles des transitions intermoléculaires (désaccord vers le bleu), et (ii) l'observation des niveaux de liaison moléculaire induits par le champ dans la même gamme spectrale, soit par des pertes de molécules renforcées par résonance, soit par leur population par un laser d'association. Ces deux effets n'ont été démontrés dans aucun autre système jusqu'à présent. Les résultats de nos études prévues contribueront donc de manière significative à la compréhension des processus moléculaires ultra-froids et, plus important encore, les rendront utiles pour d'autres applications. Il s'agit d'un défi scientifique qui requiert les efforts combinés de la théorie et de l'expérience. L'expertise théorique sera fournie par l'équipe de recherche d'Orsay, leader mondial dans les calculs de structure moléculaire, qui a introduit le concept d'OS. L'expertise expérimentale sera fournie par l'équipe de Hanovre qui réalisera les études spectroscopiques et la caractérisation du système couplé molécule-photon. La collaboration franco-allemande entre les partenaires de ce projet s'est déjà avérée très fructueuse dans le passé. Nous prévoyons de renforcer encore l'échange d'idées et d'informations par la formation avancée de jeunes chercheurs et des visites réciproques d'une durée totale prévue de quelques mois.

Les EDM, i.e. les moments dipolaires électriques des électrons, des neutrons ou des noyaux, sont des observables privilégiées pour la recherche de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard de la physique des particules. Nous proposons ici de mesurer l'EDM de ces systèmes piégés en matrice cryogénique de gaz inerte ou d’hydrogène. Les matrices permettent de sonder des échantillons avec un nombre d'atomes ou de molécules piégés plusieurs ordre de grandeurs supérieur à ceux d'une expérience de physique atomique en phase gaz, tout permettant par exemple la manipulation par laser. Le potentiel d'une telle mesure à long terme pourrait atteindre une sensibilité statistique de l'ordre de 1e-36 e cm, largement supérieure aux techniques existantes. Avec ce projet, dans le cadre d'une forte collaboration entre les groupes expérimentaux (LAC, ISMO, LPL) et théoriques (CIMAP), combinant des expertise en manipulation laser, piégeage en matrices et métrologie, nous visons à réaliser l’étude détaillée de tous les effets limitant (principalement concernant le pompage optique et temps de cohérence) avec des atomes de Cs. Le but sera de fournir une première preuve de principe de la mesure de l'EDM, dans les 4 années du projet, et de cerner les effets systématiques pour permettre à EDMMA d’atteindre, à plus long terme, une précision sans précédent.

Le domaine de recherche des molécules ultra-froides (T << 1mK) est en constante expansion dans de nombreuses directions, impliquant un nombre croissant de groupes à travers le monde. Les molécules à des températures ultra-froides se déplacent à de très petites vitesses et peuvent ainsi être contrôlées avec précision dans leur état quantique. Malheureusement, jusqu'à récemment, le refroidissement laser ne pouvait pas être appliqué facilement aux molécules car en raison de leur structure interne complexe qui inclut les vibrations et la rotation elles ne possèdent généralement pas de transitions optiques fermées appropriées, comme dans les systèmes atomiques, de sorte que les techniques de refroidissement et de ralentissement connues de la physique atomique ne peuvent être transférées directement qu'à très peu de molécules. L'objectif principal de la proposition actuelle est d'unir nos efforts pour affiner davantage le refroidissement laser et inventer de nouveaux schémas de refroidissement qui tiennent compte de la structure moléculaire unique et produisent un échantillon dense de molécules ultrafroides dans leur état fondamental absolu. Une fois cet objectif atteint, nous avons l'intention d'étudier les collisions bi-moléculaires dans deux directions, d'abord en trouvant les conditions optimales pour les supprimer par un écrantage utilisant un photon lumineux et ensuite pour observer les collisions molécule-molécule et la formation du complexe Rb4. Ce projet repose sur trois objectifs principaux mêlant aspects expérimentaux et théoriques: (i) La réalisation expérimentale du refroidissement laser et du piégeage des molécules de Rb2 à partir d'un jet moléculaire supersonique, guidée par des simulations élaborées à l'aide de calculs de structure moléculaire. Pour atteindre cet objectif, nous mettrons en œuvre une technique de pompage optique rovibrationnelle, qui agira comme un repompeur à large bande et forcera les molécules à effectuer une «transition optique fermée». (ii) L'étude de la suppression des collisions bi-moléculaires en utilisant un photon laser optique qui de fréquence décalée vers le bleu par rapport à une transition moléculaire électronique bien choisie. L'optimisation de l'efficacité de l’écrantage sera d'un grand intérêt pour les expérimentateurs dont le but est d'obtenir des échantillons stables (longue durée de vie) de molécules ultra-froides dans leur état fondamental absolu permettant d'atteindre la dégénérescence quantique (iii) La recherche de collisions inélastiques et réactives ultra-froides entre les molécules de Rb2, éventuellement assistées par la lumière, y compris la photoassociation et la formation de molécules de Rb4 stables. La photoionisation suivie de l‘analyse en masse nous permettra d'identifier les espèces ioniques présentes dans l'échantillon (Rb +, Rb2 +, Rb3 + et Rb4 +). De tels processus illustrent une nouvelle chimie ultra-froide, supposée dominée par les interactions à longue distance entre les particules en réaction mais probablement influencée par la dynamique à coure portée. C'est toujours une question ouverte, car la grande quantité de résonances du complexe collisionnel peut donner naissance à un complexe à longue durée de vie sur de courtes distances. L'observation des raies de photoassociation donnera une indication expérimentale sur le rôle de ces résonances dans la dynamique. Ce travail est le prolongement d'une longue collaboration réussie entre le groupe expérimental brésilien USP-SC et l'équipe théorique française du LAC. Ensemble, ils ont accompli une série de réalisations, notamment la création réussie de molécules diatomiques de rubidium ultra-froides à l'état fondamental par photoassociation à courte portée. Quatre articles scientifiques communs ont été publiés dans le cadre de cette collaboration depuis 2013.

Ce projet de recherche a pour objectif d'atteindre le régime sub-nanométrique pour l'imagerie et la focalisation de faisceaux d'ions. Afin de bien contrôler les caractéristiques de ces faisceaux d’ions (cohérence, aberration, énergie, dispersion, etc.) nous proposons d’exploiter la corrélation entre chaque paire électron/ion, issue de l’ionisation d’un jet d’atomes de césium refroidis par laser, pour contrôler activement l’ion traversant la colonne d’ions focalisés (FIB : Focused Ion Beam) en fonction des informations délivrées par l’électron. Ce développement d'une source contrôlée d’ions à l’échelle sub-nanométrique ouvrira des perspectives pour des expériences d’implantation, de gravure, de déposition et d’imagerie uniques et permettra de développer un instrument d'analyse révolutionnaire dans le domaine des semi-conducteurs.