TRANSITIONS OPTIQUES DANS DES VAPEURS CONFINEES DE FACON MESOSCOPIQUE – Mesoscopic gas

Le projet vise à étudier les possibilités ultimes d'étendre la nature universelle de la spectroscopie optique atomique ou moléculaire aux cas de gaz confinés dans des conditions mésoscopiques, voire micro- ou nano métriques. On pourra définir la notion de gaz mésoscopique, combinant taille de l'enceinte, et densité du gaz, comme le régime où l'interaction avec la lumière résonnante dépend de la longueur des trajectoires atomiques ou moléculaires effectuées de paroi à paroi. Sur le plan du contexte, un fort investissement scientifique et technologique a été effectué aux USA visant à la réalisation d'horloges optiques, ou de magnétomètres compacts, par une miniaturisation des technologies de la physique atomique. Cette miniaturisation reste au niveau millimétrique. Les systèmes optiques compacts -sondes ou marqueurs optiques, émetteurs,.. - ,descendant jusqu'à l'échelle nanométrique, utilisent en général la matière condensée (par ex. des boîtes quantiques semi-conductrices), dont les résonances sont éventuellement comparables à celles, optimales, des systèmes atomiques à 2 ou à 3 niveaux. Les effets résonnants restent handicapées par le fait qu'en pratique, les fréquences de résonance optique ne sont jamais identiques pour deux échantillons réputés similaires. L'équipe impliquée dns le projet, qui est à partenaire unique, a eu un rôle pionnier dans le développement d'une spectroscopie confinée selon une dimension (épaisseur de cellule), avec la mise en évidence d'une technique naturelle de réduction de l'élargissement Doppler, tant par des effets incohérents de sélection de vitesses les plus lentes permises par la nature transitoire des interactions, que par des effets de cohérence de type rétrécissement Dicke. Diverses approches sont considérées pour étudier de tels gaz confinés à 3 ou au moins à 2 dimensions. Sur le plan expérimental, les études seront entreprises sur des vapeurs d'alcalin qui offrent des raies de résonance particulièrement commodes, ainsi que des raies plus excitées. Le plus souvent, les parois de confinement (d'échelle micro- ou nano-) seront en silice. Le coeur du projet consiste à remplir de gaz résonant une opale constitué d'un empilement, dans un plan ou un volume de nanosphères identiques de silice. Un test crucial du projet consiste à tester si le rétrécissement Dicke sub-Doppler, bien connu dans le domaine micro-ondes en présence de collisions par un gaz tampon, mais inefficace dans le domaine en optique à cause des élargissements collisionnels observés en spectroscopie, peut trouver un équivalent dans ce mode de confinement. On s'attachera notamment à confiner des gaz dans des espaces interstitiels dont la dimension est typiquement inférieure à la demi-longueur d'onde de l'excitation optique Le rétrécissement Dicke recherché se trouve dans le domaine linéaire du régime d'intensité. Des phénomènes de compétition, favorables ou défavorables, peuvent cependant survenir pour des intesnités lumineuses saturantes. Des approches alternatives seront également essayées sur des systèmes tels que des fibres optiques photoniques ou creuses remplies de gaz, notamment en allant vers les tailles les plus minimales de cœur (creux) de fibre, ainsi que sur des systèmes poreux notamment pores parallèles organisés en nano-canaux. Pour ces approches, nous comptons bénéficier de collaborations, non formalisées dans le présent projet, avec les équipes (spécialisées en physico-chimie et ou technologie des fibres optiques) produisant les échantillons et cellules de vapeur adéquates. Outre la piste d'emplacements multiples de vapeur confinée, organisée éventuellement en cristaux photoniques (opales, fibres photoniques, et éventuellement canaux poreux parallèles), nous nous intéresserons également au cas d'une localisation unique de vapeur dans une cellule de taille nanométrique. Nous investiguerons également des matériaux différents de la silice, en raison des possibilités offertes par des modalités résonnantes pour l'interac