Equipe : CIML

Thèse (H/F) – Physique –Expérimentation – RD/1

Projet de thèse : Expérience d’atomes ultrafroids pour la physique des plasmas

Directeur de thèse : Romain Dubessy – Groupe CIML

Mail : romain.dubessy@univ-amu.fr

Laboratoire : Physique des interactions ioniques et moléculaires UMR7345, Marseille, Campus de Saint-Jérôme1.

Mots-clés : refroidissement et piégeage par laser, plasma neutre ultrafroid, photo-ionisation

 

Nous recherchons un(e) doctorant(e) très motivé(e) pour démarrer une nouvelle expérience à la frontière de la physique quantique et de la physique des plasmas [1]. Nous créerons un échantillon d’atome de calcium neutre refroidi par laser et confiné dans un piège magnéto-optique, à des températures de l’ordre du milli-Kelvin. Cet échantillon sera ensuite photo-ionisé et la dynamique du plasma d’ions de calcium et d’électrons qui en résulte sera étudiée à l’aide de l’imagerie d’absorption. Nous visons à :

– démontrer pour la première fois le contrôle de la distribution initiale du plasma, grâce à la mise en forme optique de l’impulsion laser de photo-ionisation, suivant une proposition récente [2],

– étudier les collisions entre plasmas ultrafroids,

– appliquer le refroidissement et le piégeage laser à un plasma ultrafroid [3].

 

Le doctorant contribuera à la construction d’une plateforme originale mettant en œuvre un simulateur analogique d’un plasma fortement couplé, visant à contrôler tous les paramètres microscopiques dans une approche bottom-up. Le projet est entièrement financé pour les trois années du doctorat et nous prévoyons d’engager un post-doc en janvier 2026 pour renforcer l’équipe travaillant sur ce projet.

Le candidat retenu rejoindra une équipe d’une dizaine de personnes, dont deux doctorants et deux post-docs, travaillant sur trois plateformes expérimentales toutes dédiées à l’étude d’atomes et d’ions refroidis par laser pour la recherche fondamentale et les applications. Il/elle aura l’opportunité de participer à une école doctorale sur la physique des atomes ultrafroids à l’automne 2025 (aux Houches, près de Chamonix). Le groupe CIML fait partie du réseau européen de piégeage d’ions.

Compétences acquises : l’étudiant apprendra la technologie de pointe de contrôle des lasers, y compris la stabilisation de la fréquence sur une référence atomique et la mise en forme du faisceau grâce à un modulateur spatial de lumière, ainsi que la technologie de l’ultra-vide et le contrôle de l’expérience.

Prérequis : une bonne connaissance de la mécanique quantique est requise et une expérience pratique préalable en optique ou en laser est appréciée.

 

[1] Ultracold neutral plasmas, T.C. Killian, T. Pattard, T. Pohl, J.M. Rost, Phys. Rep. 449, 77-130 (2007).

[2] Sculpted ultracold neutral plasmas, V.S. Dharodi, M.S. Murillo, Phys. Rev. E 101, 023207 (2020).

[3] Laser cooling of ions in a neutral plasma, T.K. Langin, G.M. Gorman, T.C. Killian, Science 363, 61-64 (2019)

1 Le campus de Saint-Jérome est accessible par les transports en commun depuis le centre-ville en moins de 25 minutes et l’Université peut aider les doctorants venant de l’extérieur de Marseille à se loger.

 

Thèse (H/F) – Physique – Expérimentation – CC/1

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.

 

STAGE M2 – Physique – Expérimentation – CIML/CC/1

Superviseurs : Caroline Champenois et Aurika Janulyte

Mail : caroline.champenois@univ-amu.fr

Tél : +33 413946413

Laboratoire Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires, Marseille, Campus de Saint-Jérôme 1

Page web du groupe CIML: https://piim.univ-amu.fr/la-recherche/la-recherche-3/equipe-ciml-2/

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

Le groupe CIML possède une forte expertise dans le piégeage d’ions dans des pièges à radiofréquence, et dans le refroidissement par laser de ces ions piégés. Il fait partie du réseau européen des groupes 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, la cible étant un nuage d’ions piégés froid et dense qui peut être considéré comme un plasma très peu 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 la détection non destructive de ces ions lourds, pour démontrer un prototype de détecteur de spectromètre de masse sans limitation de masse. Le signal exploité est la fluorescence induite par laser et le processus sous-jacent est le transfert d’énergie entre un projectile chargé et la cible de plasma, connu sous le nom de pouvoir d’arrêt des plasmas. 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 puits de 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 montré sur la figure obtenue par l’image de leur fluorescence induite sur une caméra CCD.

Objectifs : Nous proposons à un étudiant en master de rejoindre ce projet pour observer et étudier l’échange d’énergie entre des ions lourds chargés et des OCP Ca+ refroidis par laser. Il s’agit de développer un protocole permettant de 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, l’acquisition et le traitement des données. Ce stage pourrait être poursuivi par un doctorat.

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