Refroidissement sympathique d’ions piégés pour des mesures de précision – BESCOOL

Lors des 20 dernières années, le contrôle de l’état quantique d’ions confinés dans des pièges radiofréquence a connu des progrès spectaculaires. Des méthodes ont été développées pour refroidir le mouvement externe des ions jusqu’à l’état vibrationnel fondamental. Le refroidissement sympathique permet d’étendre ces techniques à de nombreux ions atomiques ou moléculaires ne pouvant pas être refroidis directement par laser. Les progrès dans le transport d’ions froids permettent de réaliser chaque opération dans un piège dédié. Ainsi, les ions piégés forment un des systèmes les plus performants pour les mesures de très grande précision et l’information quantique.
Le but de ce projet est d’élargir ces techniques à de nouvelles espèces ioniques d’un grand intérêt scientifique en s’affranchissant de deux limitations.

(i) Dans les travaux cités ci-dessus, les ions sont créés directement à l’intérieur du piège. Nous prévoyons de développer un dispositif expérimental universel pour le transport, la capture et le refroidissement Doppler sympathique d’ions produits dans des sources externes, comme l’ion antihydrogène positif Hbar+, l’ion H2+ sélectionné en état interne ou les ions multichargés.
(ii) L’efficacité du refroidissement sympathique diminue lorsque la différence entre les rapports charge/masse (q/m) des espèces co-piégées augmente. Nous ferons l’étude expérimentale de la dynamique du refroidissement sympathique dans le cas de rapports q/m très différents, et développerons des méthodes de refroidissement et des géométries de piège adaptées à ce cas.

Dans ce but, un ensemble complet de méthodes et un dispositif expérimental commun entre les deux partenaires seront développés. Le projet repose sur deux pièges linéaires : un piège de «capture» pour le refroidissement Doppler sympathique jusqu’à quelques mK, suivi du transport vers un piège de «précision» conçu pour refroidir une paire d’ions dans son état fondamental de vibration. Les processus de refroidissement seront optimisés pour des ions de rapports q/m très différents.
Des percées significatives dans les domaines de la physique gravitationnelle et de la détermination des constantes fondamentales de la physique sont attendues.

La première application est le projet GBAR, accepté par le CERN en 2012. Il vise à réaliser le premier test du principe d’équivalence avec de l’antimatière, basé sur une expérience de chute libre d’atomes neutres d’antihydrogène. Les deux partenaires de ce projet font partie des 14 équipes de la collaboration internationale GBAR, et sont impliqués dans l’une des étapes clés : refroidir à l’état fondamental une paire d’ions Hbar+/Be+. Le dispositif expérimental pour capturer et refroidir Hbar+ sera testé sur de la matière avec H+ dans le cadre du projet BESCOOL, avant l’intégration finale prévue en 2017 au CERN.
La seconde application concerne la spectroscopie vibrationnelle de H2+. Elle aboutira à une nouvelle détermination du rapport de masse proton/électron avec une exactitude limitée par la théorie de 0.1 ppb, améliorant d’un facteur 4 la détermination actuelle.
Cette collaboration alliant les compétences des deux partenaires permettra de résoudre les enjeux techniques et physiques du projet. L’expérience du partenaire français dans la production et la manipulation d’ions légers, la spectroscopie de haute résolution, les sources laser nécessaires au refroidissement de Be+, et celle du partenaire allemand dans la conception de pièges, le contrôle quantique et le transport des ions piégés sont complémentaires et essentielles à la réussite du projet.

Le projet BESCOOL fournira un outil nouveau, universel et très prometteur pour la spectroscopie et les tests fondamentaux avec des ions atomiques ou moléculaires légers, avec des perspectives telles que l’étude d’ions multichargés pour des tests d’électrodynamique quantique, le développement d’horloges optiques ou la mesure des variations temporelles de constante fondamentales.