Nuage d’ions piégés refroidis par laser pour la détection de particules lourdes

SUPERVISEUR : CAROLINE CHAMPENOIS ET AURIKA JANULYTE

MAIL : CAROLINE.CHAMPENOIS@UNIV-AMU.FR

TEL : +33 413946413

LAB : PHYSIQUE DES INTERACTION IONIQUES ET MOLÉCULAIRES, MARSEILLE, CAMPUS DE SAINT-JÉRÔME. (UMR7345) ¹  

PAGE WEB DU GROUPE CIML : HTTPS://PIIM.UNIV-AMU.FR/EN/RESEARCH/ SEVEN-TEAMS-AND-ONE-OPERATION/CIML-TEAM

mots clés : piégeage d’atomes et refroidissement laser, plasma fortement corrélé, guidage de particules chargées

Le groupe CIML possède une forte expertise dans le refroidissement par laser et le piégeage d’ions dans des pièges à radiofréquence. Il fait partie du réseau européen de piégeage d’ions et est l’un des rares groupes à piéger des ions à des fins de physique fondamentale en France. L’un des dispositifs expérimentaux du groupe vise à étudier l’échange d’énergie entre particules chargées, en envoyant un projectile sur une cible. La cible est un nuage d’ions froids et denses qui peut être considéré comme un plasma non conventionnel, un plasma à un seul composant (OCP). Le projectile est un ion moléculaire très lourd et la perturbation qu’il induit en traversant le nuage d’ions piégés peut être utilisée pour sa détection non destructive, pour démontrer un prototype de détecteur de spectromètre de masse sans limitation de masse [1].

En pratique, la cible est un nuage d’ions Ca+ refroidi par laser. Lorsqu’ils atteignent une température inférieure au kelvin, ces ions se regroupent dans le potentiel de piégeage et s’arrangent dans une structure stationnaire qui minimise l’énergie potentielle de piégeage et de répulsion de Coulomb, pour former ce que l’on appelle un cristal de Coulomb. Un exemple de ces structures, formées par plusieurs centaines d’ions, est visible sur la figure montrant l’image de la fluorescence des ions sur une caméra CCD. Le signal exploité est la fluorescence du nuage induite par le laser. L’interaction entre l’efficacité du refroidissement du laser et la dépendance non linéaire de l’échauffement RF avec la densité et la température du nuage fait de la transition de phase du nuage un amplificateur de signal pour une détection efficace [2].

Objectifs : Nous proposons comme projet de thèse de démontrer et de quantifier l’échange d’énergie entre des ions lourds chargés et des OCP Ca+ refroidis par laser. Cela implique de développer un protocole pour contrôler la taille et la température des ions piégés, la trajectoire du projectile et un diagnostic de l’énergie transférée au nuage d’ions. Le stage s’appuie sur un dispositif expérimental opérationnel, où la détection aura lieu. Il peut également s’appuyer sur un code de simulation de dynamique moléculaire qui peut être utilisé pour tester l’efficacité de la détection en fonction des caractéristiques du projectile, du piège et des paramètres de refroidissement du laser.

Les compétences acquises concernent le piégeage et le guidage des particules chargées, l’interaction atome-laser et le refroidissement laser, le contrôle serré du laser, l’acquisition et le traitement des données.

REFERENCES :

[1] A. Poindron, et al, J. Chem. Phys. 154, 184203 (2021)

[2] A. Poindron, et al, PRA, 108, 013109 (2023)

¹  Le campus de Saint-Jérôme est accessible en moins de 25 minutes par les transports en commun depuis le centre-ville. Notre groupe bénéficie d’un environnement technique entièrement nouveau et de très bonnes conditions techniques.