Les gaz atomiques (atomes chauds) constituent des outils puissants et élégants pour la physique fondamentale et pour la détection quantique des champs électromagnétiques. L’équipe SAI de l’USPN a développé des techniques uniques de spectroscopie de précision permettant de sonder des vapeurs atomiques chaudes à des distances nanométriques des surfaces. Ces techniques ont notamment permis de réaliser des tests expérimentaux des effets thermiques dans les interactions de Casimir–Polder (CP), une prédiction de l’électrodynamique quantique restée longtemps difficile à mettre en évidence expérimentalement [1,2]. L’extension de ces approches à la physique moléculaire ouvre des perspectives particulièrement intéressantes. Les molécules possèdent une structure interne riche et des transitions très étroites, offrant de nouvelles possibilités pour l’étude de phénomènes fondamentaux. L’équipe SAI a récemment étendu ses techniques de spectroscopie à l’échelle nanométrique aux gaz moléculaires, ouvrant ainsi la voie à la spectroscopie de précision dans des cellules moléculaires ultraminces [3,4].
L’utilisation de transitions rovibrationnelles moléculaires ouvre de nouvelles perspectives pour des plateformes photoniques qui reposaient jusqu’à présent principalement sur des matériaux diélectriques tels que le verre ou le nitrure de silicium. En particulier, le fonctionnement dans le proche et le moyen infrarouge permet d’utiliser le silicium pour la fabrication de cellules ultraminces (nanocellules) et de développer des structures nanophotoniques plus complexes, particulièrement adaptées aux expériences d’électrodynamique quantique.
Un objectif majeur de cette thèse sera la fabrication de nanocellules destinées à des mesures de précision des interactions molécule–surface. Ces interactions jouent un rôle fondamental en physico-chimie et ont suscité un intérêt théorique important, notamment parce que la géométrie complexe des molécules peut donner lieu à des interactions de Casimir–Polder anisotropes. Ces interactions seront étudiées par spectroscopie de précision de molécules d’acétylène ou de HF confinées dans des nanocellules en silicium. Notre approche permettra de sonder directement les différences d’interaction avec la surface entre des états quantiques moléculaires présentant différentes orientations de leur moment angulaire rotationnel par rapport à la surface. Cette plateforme pourra ensuite être étendue en intégrant des nanostructures en silicium plus complexes.
Un autre objectif sera de coupler l’acétylène, qui présente des transitions rovibrationnelles aux longueurs d’onde des télécommunications, à des nanocavités en silicium à haut facteur de qualité [5]. Le couplage de ces deux systèmes pourrait permettre d’explorer l’électrodynamique quantique en cavité avec des molécules. De plus, le fort confinement des champs électromagnétiques dans les espaces nanométriques de ces cavités, sur des échelles de seulement quelques nanomètres, pourrait permettre de réaliser une spectroscopie moléculaire à des distances des surfaces encore jamais atteintes et ainsi d’étudier les interactions de Casimir–Polder dans le champ proche extrême.
Objectifs et tâches
1. Fabrication de nanocellules remplies de gaz moléculaires (acétylène ou HF).
2. Étude spectroscopique de gaz moléculaires confinés dans des espaces de l’ordre de 100 nm et mesures de précision de l’interaction de Casimir–Polder.
3. Modélisation théorique des interactions de Casimir–Polder et des interactions molécule–surface.
4. Couplage de gaz d’acétylène à des nanocavités en silicium à haut facteur de qualité.
Références
1. A. Laliotis, T. P. de Silans, I. Maurin, M. Ducloy, and D. Bloch, “Casimir–Polder interactions in the presence of thermally excited surface modes,” Nat. Commun. 5, 4364 (2014).
2. J. C. de Aquino Carvalho, I. Maurin, P. Chaves de Souza Segundo, A. Laliotis, et al., “Revealing Some Disagreements between a Casimir-Polder Sensor and Predictions from Far-Field Emittance,” Phys. Rev. Lett. 131, 143801 (2023).
3. J. Lukusa Mudiayi, I. Maurin, T. Mashimo, J. C. de Aquino Carvalho, D. Bloch, S. K. Tokunaga, B. Darquié, and A. Laliotis, “Linear Probing of Molecules at Micrometric Distances from a Surface with Sub-Doppler Frequency Resolution,” Phys. Rev. Lett. 127, 043201 (2021).
4. G. G. Arellano, J. C. de Aquino Carvalho, H. Mouhanna, E. Butery, T. Billeton, F. Du-Burck, B. Darquié, I. Maurin, and A. Laliotis, “Probing molecules in gas cells of subwavelength thickness,” Nat. Commun. 15, 1862 (2024).
5. A. N. Babar, T. A. S. Weis, K. Tsoukalas, S. Kadkhodazadeh, G. Arregui, B. Vosoughi Lahijani, and S. Stobbe, “Self-assembled photonic cavities with atomic-scale confinement,” Nature 624, 57–62 (2023).
