Bourse de doctorat en physique atomique et moléculaire expérimentale

Titre : Spectroscopie par peigne de fréquence d’ions moléculaires piégés et froids

Mots clés : Piégeage d’ions et refroidissement laser, ions moléculaires froids, spectroscopie, contrôle d’état quantique, laser à peigne de fréquence.

Responsable : Cyrille SOLARO solaro@unistra.fr

Lieu : Centre européen des sciences quantiques – CESQ, ISIS, Université de Strasbourg, France

Contrat : Durée déterminée, 36 mois, à partir d’octobre 2024, financement déjà sécurisé

Contexte : La capacité de manipuler des atomes et des ions atomiques au niveau quantique le plus fondamental constitue la base de leur application dans les sciences quantiques modernes. Atteindre le même niveau de contrôle sur les molécules ouvrirait de nouvelles perspectives passionnantes dans ce domaine. Cependant, la structure complexe des niveaux d’énergie des systèmes moléculaires, qui les rend si attractifs, pose également de sérieuses difficultés pour leur refroidissement translationnel, ainsi que pour la préparation, la manipulation cohérente et la détection de leurs états quantiques. Dans ce contexte, les systèmes hybrides composés d’ ions atomiques et moléculaires co-piégés sont très prometteurs car ils combinent le haut degré de contrôle fourni par l’ion atomique avec la riche structure énergétique de l’ion moléculaire. Cette structure présente de nombreuses transitions avec d’excellentes propriétés de cohérencepour le traitement de l’information quantique et les mesures de précision .

Description du projet : Ce sujet de thèse concerne le piégeage et le refroidissement d’ions moléculaires dipolaires (SrH ⁺ ) ainsi que leur caractérisation spectroscopique à l’aide d’un laser peigne de fréquence. L’étudiant participera à l’installation et au développement de l’appareil expérimental et effectuera les premières mesures spectroscopiques de cet ion moléculaire.SrH ⁺ peuvent être formés par réaction photochimique entre des ions Sr ⁺ piégés et refroidis au laser et de l’hydrogène moléculaire. Grâce à leur interaction coulombienne avec les ions Sr ⁺ restants , ils peuvent être refroidis « par sympathie » et éventuellement faire partie d’une structure ordonnée souvent appelée cristal coulombien [1]. Cette situation est idéale pour une première caractérisation spectroscopique de SrH ⁺ que nous effectuerons en utilisant la photodissociation améliorée par résonance sélective d’état (REMPD) avec un peigne de fréquence femtoseconde accordable [2-4]. Dans un deuxième temps, nous affinerons cette caractérisation via un schéma REMPD 2 couleurs utilisant un laser à cascade quantique et le peigne de fréquence. Nous étudierons également la détection non destructive de l’état des ions moléculaires dans une chaîne d’ions. À chaque étape, nous développerons des modèles théoriques et réaliserons des simulations numériques pour guider les expériences. Ces expériences et découvertes ouvriront la voie à la spectroscopie vibrationnelle à haute résolution de SrH ⁺ pour des applications dans les technologies quantiques et en physique fondamentale , en particulier pour rechercher une nouvelle physique au-delà du modèle standard.

Compétences acquises : Généralement, les doctorants travaillant sur un dispositif expérimental dédié au piégeage et au refroidissement d’ions, d’atomes ou de molécules acquièrent de multiples compétences techniques non seulement en sciences et technologies quantiques mais également en physique des lasers, optique, électronique RF, faible bruit. l’électronique, la programmation, la conception sous ultra-vide, et pour ce sujet les mesures de précision et la métrologie. Ces diverses compétences sont autant d’atouts qui contribueront à ouvrir de très belles perspectives de carrière tant au sein qu’en dehors du milieu universitaire.

Bibliographie:

[1] K. Mølhave et M. Drewsen, « Formation de molécules MgH ⁺ et MgD ⁺ traductionnellement froides dans un piège à ions », Phys. Rév.A , vol. 62, p. 011401, juin 2000.

[2] K. Højbjerre et al., « Spectroscopie de photodissociation résolue par état de rotation des ions MgH ^{+ froids en translation et en vibration »,} New Journal of Physics , vol. 11, p. 055026, mai 2009.

[3] R. Rugango et al., « Spectroscopie vibronique de CaH ⁺ refroidi par sympathie », ChemPhysChem , vol. 17, pp. 3764-3768, août 2016.

[4] AT Calvin et al., « Spectroscopie rovibronique de ⁴⁰ CaH ⁺ refroidi par sympathie », The Journal of Physical Chemistry A , vol. 122, pp. 3177-3181, mars 2018.