La précision d'une horloge moléculaire a été multipliée par 100, permettant aux chercheurs de l'utiliser comme étalon de fréquence térahertz et comme plate-forme pour de nouvelles recherches en physique.
Les molécules peuvent se plier, vibrer et tourner. A chacun de ces degrés de liberté est associée une échelle de niveaux d'énergie quantifiés, tombant généralement dans la région des térahertz. Les minuscules échelons de l'échelle font des molécules des capteurs incroyablement sensibles pour les espaces intérieurs et extérieurs. Cependant, cette sensibilité rend plus difficiles les deux processus principaux nécessaires à la création d'une sonde fonctionnelle (refroidissement et piégeage). Tanya Zelevinsky de l'Université de Columbia, avec l'aide de ses collaborateurs, a démontré la transition vibrationnelle dans le strontium diatomique en 2019.12 Il a pu mesurer un pourcentage.
L'expérience est en développement depuis quatre ans maintenant, et l'équipe a obtenu une précision multipliée par 100.
Le Sr2 était le matériau de choix pour l'horloge moléculaire de Zelevinsky et de son équipe, car les lasers à diode pouvaient facilement refroidir les atomes qui le composaient. L'isotope le plus courant de l'élément 88Sr est également dépourvu de spin et, s'il est présent, rendrait les expériences et le traitement théorique plus difficiles à administrer.
Avant de créer les molécules, les scientifiques ont refroidi les atomes de Sr dans un piège magnéto-optique. Lorsque les atomes ont été exposés à la lumière laser, leurs paires ont été poussées de leur état non lié à un état moléculaire excité, qui a rapidement subi une désintégration par émission spontanée.
Le niveau vibrationnel le plus bas de l'état fondamental, ν = 0, et le niveau vibrationnel limite le plus élevé, ν = 62, sont ceux où Zelevinsky et son équipe ont vu le décalage d'horloge. L'état de rotation est zéro dans tous les scénarios. Les scientifiques ont utilisé un laser pour exciter les molécules d'un état de ν=0 à un état virtuel qui se désintègre à un état de ν=62 pour accomplir la transition interdite en deux étapes.
Limiter la largeur de la ligne de transition résultant du mouvement aléatoire des molécules est le principal problème de la mesure précise d'une transition chimique. (expansion Doppler). Les molécules sont maintenues immobiles en étant piégées dans des fosses d'une onde stationnaire de lumière laser proche infrarouge ou d'un réseau optique. L'effet Stark, d'autre part, fait que le propre champ électrique du laser modifie les énergies des états de début et de fin de la transition. Les décalages peuvent être minimisés en ajustant la fréquence du laser de capture afin que les états de début et de fin aient la même polarisabilité. L'effet Stark disparaît à cette fréquence dite magique.
L'annulation souhaitée sera suivie d'une dispersion indésirable dans le cas de v = 0 et v = 62. Pour surmonter cet inconvénient, Zelevinsky et son équipe ont réglé la fréquence du laser de capture pour qu'elle soit proche de la résonance entre l'un des deux états et un état électronique supérieur. Cette solution de contournement a poursuivi l'annulation en fournissant une voie d'évacuation pour les molécules traversant la transition ν = 0 → 62. Cependant, il y avait encore suffisamment de molécules faisant des allers-retours entre les deux niveaux, et la fréquence de la transition était de 10.14 te a pu être déterminé avec une précision de 5 parties.
De plus, le groupe a créé un budget d'incertitude en modifiant divers paramètres expérimentaux. L'effet Stark a culminé après avoir mesuré et classé 11 sources d'erreur systématique. Selon Zelevinsky, trouver un moyen de réduire la puissance du laser de piégeage sans libérer les molécules, et donc la quantité de l'effet Stark, est un moyen de minimiser cette source d'erreur.
Une horloge moléculaire au strontium pourrait servir de référence pour la fréquence, ouvrant de nouvelles opportunités pour la métrologie des fréquences térahertz. Selon Zelevinsky, il s'intéresse également à l'utilisation d'horloges au strontium pour rechercher une interaction imaginaire semblable à la gravité qui dépend de la masse. Parmi les trois isotopéologies moléculaires du strontium - 84Sr., 86Sr et utilisé dans cette étude 88Des différences dans les spectres Sr – térahertz pourraient être un signe. Une horloge moléculaire au strontium pourrait potentiellement révéler si le rapport de masse proton-électron est affecté par la gravité ou le temps, selon David DeMille de l'Université de Chicago. Selon lui, un tel signal "pourrait fournir des preuves de certains types putatifs de matière noire et/ou de nouveaux champs scalaires associés à des particules de très faible masse".
Source : physics.aps.org/articles/v16/36
Günceleme: 29/03/2023 10:23