Une nouvelle technique d’imagerie donne pour la première fois aux scientifiques la position 3D d’atomes individuels dans un réseau optique, surpassant ainsi les méthodes précédentes qui fournissaient uniquement des images 2D. Développée par une équipe de l’Université de Bonn, en Allemagne, et de l’Université de Bristol, au Royaume-Uni, la technique pourrait améliorer la précision des simulateurs quantiques basés sur les atomes et faciliter le développement de nouveaux matériaux quantiques.

"Nous sommes désormais capables de prendre un seul instantané des atomes dans un réseau optique et de voir exactement où ils se trouvent dans les trois dimensions", expliquent Carrie Weidner et les Andrea Alberti, qui a codirigé le développement de la technique. "Les techniques de détection optique précédentes se limitaient à prendre des photos "à plat" des atomes, mais les atomes ne vivent pas dans un monde plat."

Les expériences sur les atomes dans les réseaux optiques commencent généralement par l’utilisation de la lumière laser pour refroidir les atomes à des températures juste au-dessus du zéro absolu. Cela les ralentit presque jusqu’à l’arrêt et leur permet de se retrouver piégés dans une onde stationnaire de lumière laser – le réseau. Une fois piégés, les atomes sont exposés à un faisceau laser supplémentaire qui les rend fluorescents. En imaginant cette fluorescence, les chercheurs peuvent déterminer la position des atomes.

Ce processus d'imagerie est connu sous le nom de microscopie quantique des gaz et a été développé il y a plus de dix ans par des physiciens de Université de Harvard aux États-Unis et au Institut Max Planck d'optique quantique en Allemagne. La méthode standard ne fournit cependant que les coordonnées x et y de chaque atome. Les informations sur la position des atomes dans la direction z, c'est-à-dire leur distance par rapport à l'objectif dans le système d'imagerie, manquaient.

Changement de phase

La nouvelle méthode remédie à ce problème en prenant la lumière émise par les atomes fluorescents et en la modifiant avant qu'elle n'atteigne une caméra. Plus précisément, le procédé modifie la phase du champ lumineux émis de sorte que l'image de l'atome semble tourner dans l'espace en fonction de sa position le long de la ligne de visée du système d'imagerie.

"Au lieu des taches rondes typiques habituellement produites en microscopie quantique à gaz, le front d'onde déformé produit une forme d'haltère sur la caméra qui tourne sur elle-même", explique Alberti. "La direction dans laquelle pointe cet haltère dépend de la distance que la lumière a dû parcourir de l'atome à la caméra."

L'haltère agit ainsi un peu comme l'aiguille d'une boussole, permettant aux chercheurs de lire la coordonnée z en fonction de son orientation, ajoute Dieter Meschede, qui dirige le laboratoire de Bonn où les expériences ont eu lieu.

Une idée avec une longue histoire

Selon Weidner, l'idée originale de l'étude est venue de William Moerner et les Rafael Piestún dans les universités de Stanford et les Colorado, respectivement. Alberti ajoute qu’il est « fascinant » que personne d’autre n’ait pensé auparavant à utiliser la phase du champ lumineux pour obtenir des informations sur la position z de la particule électroluminescente. Contrôler la phase du champ lumineux n’est certainement pas nouveau, dit-il.

« Cela a en fait une longue histoire : en fait, pour obtenir des images nettes (et non floues), tous les systèmes d'imagerie bien conçus sont construits pour que la phase de tous les rayons lumineux atteignant la surface de l'appareil photo (ou la rétine de nos yeux) soit la phase la plus importante. pareil, c'est le fameux principe de Fermat », explique-t-il. « L’égalisation de toutes ces différences de phase permet de corriger les aberrations optiques. C’est essentiellement ce que nous faisons lorsque nous portons des lunettes pour améliorer notre vision.

L'un des plus grands défis liés à cette technique, ajoute Alberti, était de trouver un expérimentateur compétent capable de travailler à plein temps pour la mener à bien. « Nous avons eu la chance que Tangi Legrand, étudiant à la maîtrise, décide de relever ce défi », dit-il. « Sans lui, nous ne pourrions pas rendre compte aujourd’hui de nos bons résultats. »

Localisations précises avec une seule image

Pouvoir déterminer précisément les positions 3D des atomes avec une seule image pourrait être utile dans plusieurs contextes. Cela pourrait faciliter le déclenchement d’interactions spécifiques entre les atomes et aider les scientifiques à développer de nouveaux matériaux quantiques dotés de caractéristiques particulières. "Nous pourrions étudier les types d'effets de la mécanique quantique qui se produisent lorsque les atomes sont disposés dans un certain ordre", suggère Weidner. "Cela nous permettrait de simuler dans une certaine mesure les propriétés des matériaux tridimensionnels sans avoir à les synthétiser."

Une nouvelle technique met les gaz quantiques 3D au microscope

Un autre avantage est que la technique, qui est détaillée dans Examen physique A, est très général. "Notre méthode peut être appliquée à de nombreux systèmes, notamment aux molécules, aux ions et à n'importe quel émetteur quantique", explique Weidner. "Nous espérons voir cette méthode appliquée aux efforts de simulation quantique 3D à travers le monde."

À plus long terme, les chercheurs affirment que leur « rêve » est de reconstruire les positions 3D de grands réseaux contenant plusieurs milliers d’atomes. Ces grands réseaux nécessitent un large champ de vision, ce qui entraîne des aberrations optiques, expliquent-ils. "Nous espérons que des méthodes de reconstruction améliorées seront capables de traiter ces aberrations et donc d'étendre le champ de vision sur lequel notre technique pourra être appliquée", disent-ils. "Ils pourraient également aider à trouver les positions 3D des atomes situés les uns au-dessus des autres dans des réseaux plus densément remplis."

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• La source: https://physicsworld.com/a/new-method-pinpoints-the-3d-location-of-cold-atoms-in-a-lattice/