Façonner le vide quantique autour des atomes et des molécules – SQUAT

Les émetteurs quantiques tels que les atomes et les molécules sont des systèmes de choix pour mener des tests de physique fondamentale, pour la métrologie, et les technologies quantiques. Le besoin croissant en miniaturisation des dispositifs impose la fabrication de systèmes hybrides, dans lesquels atomes et molécules se retrouvent au voisinage d’objets macroscopiques. Leur présence modifie les fluctuations du champ électromagnétique du vide et altèrent ainsi la structure interne des émetteurs quantiques tel que la position des niveaux d’énergie, leurs durées de vie et les propriétés de symétrie. Réciproquement, la structuration contrôlée des matériaux offre un moyen unique de façonner les fluctuations électromagnétiques et modeler les propriétés de ces systèmes quantiques.

Le projet a pour objectif d’explorer l'interaction d'un atome ou d'une molécule avec le vide quantique façonné et coloré par les modes de surface de corps macroscopiques thermiquement excités. Il s’agit d’un projet collaboratif entre un groupe de théoriciens de l’Université de Rostock en Allemagne, spécialisé dans les problèmes d’interactions atome/molécule-surface et un groupe d’expérimentateurs de l’Université Paris 13 à l’avant-garde des études de l’interaction atome-surface en champ-proche par spectroscopie de vapeurs atomiques.

Les cellules remplies de vapeurs thermiques (atomiques ou moléculaires) sont des plateformes compactes qui intègrent des atomes et des molécules avec des dispositifs solides pour la réalisation d’expériences de physique quantique et de technologies quantiques. La fabrication de cette nouvelle génération de dispositifs quantiques nécessite inévitablement une bonne compréhension de l’interaction des atomes et des molécules avec des surfaces planes ainsi que des surfaces nano-structurées.
Nos objectifs sont les suivants :
1) Sonder l’interaction Rydberg-surface pour mettre en évidence des effets au-delà de l’approximation de l’interaction dipôle-dipôle (effets quadripolaires).
2) Sonder les interactions molécule-surface par spectroscopie de transmission dans des cellules minces remplies de gaz moléculaires. Nous étudierons en particulier les effets liés à l’orientation moléculaire par rapport à la surface.
3) Fabriquer une nouvelle génération de cellules munies de fenêtres nanostructurées (métamatériaux) permettant de modifier à façon les interactions atome (molécule)-surface.
4) Sonder l’interaction d’atomes de Rydberg avec des surfaces dans des cellules nanostructurées et coupler ces atomes de Rydberg à des résonateurs terahertz pour contrôler l’interaction Rydberg-surface.

Un atout majeur de cette opération vient de la forte synergie entre théoriciens et expérimentateurs. A terme, les connaissances acquises nous permettront de façonner le vide quantique entourant les atomes et les molécules. Bien que l’étude des interactions atome/molécule-surface s’inscrive pleinement dans le champ de la physique fondamentale, des retombées dans le domaine des technologies quantiques, en physico-chimie, en astrophysique, en dynamique des fluides, et même en biologie sont envisagées.