Des lasers et des miroirs pour confiner les molécules d’hydrogène dans l’espace

Dans cette étude, l’équipe de recherche a réussi à confiner l’hydrogène moléculaire dans une cavité optique, soit deux miroirs qui se font face et entre lesquels un faisceau laser est injecté. Ce piège de lumière permet la formation d’une onde stationnaire et une augmentation de la puissance lumineuse. Clément Lauzin, chercheur au Institute of Condensed Matter and Nanosciences, responsable de la plateforme LAS&O et co-auteur de l’étude, utilise une analogie simple : « On peut imaginer le champ électrique de la lumière formant des bosses et des creux générant ainsi un puits de potentiel, comme une vallée entre ces deux crêtes ». 

Pour former ce puits de potentiel, le champ électrique doit être assez fort pour polariser les électrons de la molécule. À très basse température (~–200 °C), les molécules d’hydrogène se retrouvent bloquées le long de l’axe de la cavité optique.

Le phénomène avait été prédit dans les années 1970 par deux physiciens russes sans jamais avoir pu être observé. S’il a fallu attendre 50 ans, c’est parce que cette réalisation expérimentale exigeait la combinaison de trois facteurs : une stabilité mécanique extrême (les deux miroirs doivent rester alignés à un millième de millième de milliardième de mètre, soit 10^{-12 m}, près), une intensité lumineuse importante (2 kW) et une précision extrême dans le contrôle et la mesure de la fréquence de l’onde lumineuse.    

Une perspective intéressante : améliorer la précision des mesures

En temps normal, les mesures spectroscopiques sont limitées par le mouvement des molécules (l’effet Doppler) et par le temps d’observation qui est très court. « Si par contre les molécules sont piégées, on peut les observer aussi longtemps qu’on veut », poursuit Clément Lauzin. Ce temps d’observation prolongé permettra, on l’espère, d’atteindre une précision de mesure accrue, pour : 

• Tester les modèles quantiques de manière plus contraignante ;
• Développer des horloges moléculaires d’une précision inégalée ;
• Étudier la réactivité chimique à des températures extrêmement basses.

La suite s’écrira à l’UCLouvain

Si cette première publication est le fruit d’une collaboration menée à Amsterdam, l’avenir de cette recherche s’écrit désormais à l’UCLouvain, où l’ensemble du dispositif expérimental vient d’être installé. Frank Cozijn (Université libre d’Amsterdam), le deuxième auteur de l’article, vient d’obtenir un mandat de chargé de recherche FNRS et rejoint l’équipe de Clément Lauzin. Quant au premier auteur de l’étude, le professeur Wim Ubachs, il vient régulièrement à l’UCLouvain pour définir et supporter la suite du projet. 

Le prochain objectif de cette collaboration fructueuse est d’ailleurs désormais fixé : adapter ce piège pour capturer une autre molécule-clé, la molécule d’eau (H₂O).

Lien vers l’article publié dans Physical Review Letters

Légendes

• Clément Lauzin, chercheur au Institute of Condensed Matter and Nanosciences, Photo © Yvan Flamant.
• Résumé graphique : L’hydrogène moléculaire est confiné dans une cavité optique, soit deux miroirs qui se font face et entre lesquels un faisceau laser est injecté ; ce piège de lumière permet l’observation prolongée de la molécule.