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Accueil > Français > Équipes > Confinement d’Ions et Manipulation Laser > Dynamique et thermodynamique d’un nuage d’ions

Explications

par Martina KNOOP - publié le , mis à jour le

Un des enjeux du projet TADOTI est la compréhension du rôle des interactions coulombiennes et du potentiel de confinement dans l’auto-organisation des ions. Couplée à l’étude expérimentale, une étude numérique permet d’identifier le rôle de chaque paramètre lors des transitions de phase et d’analyser les effets de taille finie. Techniquement, la simulation d’un grand nombre de particules en interaction à longue portée est en elle-même un défi car chaque interaction doit être calculée pour reproduire fidèlement le système. En ce qui concerne le dispositif expérimental qui repose sur des pièges radiofréquences linéaires, il était crucial de leur garantir des dimensions qui assurent le piégeage stable de nuages froids assez gros pour que les effets de taille finie soient négligeables au centre.
Ce dispositif permet aussi de mettre au point des protocoles de transport des ions entre différentes zones de piégeage. Le transport d’un ion sans excitation de son mouvement est un des enjeux majeurs du développement des ordinateurs quantiques basés sur des ions piégés. Nous souhaitons étendre ces protocoles à un nuage dans un piège macroscopique pour, entre autre, améliorer les performances des horloges à ions micro-onde. La difficulté vient de l’interaction coulombienne qui couple tous les degrés de liberté au cours du déplacement, et de la grande distance entre les électrodes.

Piège sur TADOTI
PIIM - CIML

À gauche : photo du double piège à travers un des hublots de l’expérience TADOTI. Les électrodes sont au centre de l’image alors que les trois tiges dessus et dessous assurent le soutien de la structure. On peut identifier le double quadrupole à droite, et l’octupole à gauche. À droite, image par une caméra CCD d’un petit cristal d’ions calcium confiné dans la partie quadrupolaire centrale. crédit : PIIM-CIML

Le projet TADOTI a pu démarrer grâce au soutien financier de la région PACA et de l’ANR (JC/JC 2008) et est également soutenu par le CNES

Résultats :

Des nuages froids atteignant plusieurs centaines de milliers d’ions sont piégés dans la partie à quatre électrodes. Grâce au refroidissement laser, la transition de phase vers la phase liquide est observée et la formation de couches concentriques signe une organisation en « pelures d’oignon », caractéristique d’un cristal de Coulomb dans un potentiel harmonique. Ces nuages sont transportés en phase gazeuse au sein de la partie à quatre barreaux avec une efficacité proche de 100% sur un aller (+/- 5%). L’évolution de la fluorescence du nuage à son arrivée nous renseigne sur le gain d’énergie due au transfert, qui doit encore être réduit. Ce transport intéresse aussi le CNES qui est associé à ce projet, dans le cadre de son programme sur les étalons de fréquence micro-onde.
Nos connaissances actuelles acquises au cours de ce projet permettent aujourd’hui de
- simuler la dynamique de 100 000 ions refroidis par laser, pendant au moins 1 ms, grâce à la parallèlisation du code.
- charger la deuxième partie du piège quadrupolaire « en aveugle », sans avoir recourt aux signaux émis depuis la partie création du piège et ainsi de mettre au point le transport des ions de la partie quadrupolaire vers la partie octupolaire en utilisant les propriétés observées et calculées du transport intra-quadrupole.