A cryogenic apparatus with a rotatable substrate for matrix isolation spectroscopy of BaF in neon crystals down to 3.2 K

Pour comprendre le travail décrit ici, il faut d'abord saisir une idée simple mais puissante en physique : pour voir la véritable nature d'une molécule, il faut l'empêcher de bouger. Dans le monde naturel, les atomes et les molécules sont en mouvement constant et frénétique, entrant en collision et tournoyant si rapidement que leurs signaux internes se brouillent. Les scientifiques utilisent une technique appelée isolation en matrice pour résoudre ce problème. Ils emprisonnent une molécule spécifique à l'intérieur d'un bloc solide d'un gaz inerte et inoffensif, comme le néon, et gèlent ce bloc à des températures plus froides que l'espace profond. Dans cette cage figée et rigide, la molécule est maintenue parfaitement immobile, permettant aux chercheurs d'étudier son comportement avec une précision extrême. Cette méthode est particulièrement précieuse pour traquer une propriété fantomatique de l'électron appelée moment dipolaire électrique. Si cette propriété existe, elle ébranlerait notre compréhension des lois fondamentales de l'univers, mais elle est si infime qu'elle nécessite l'environnement le plus calme et le plus immobile possible pour être détectée.

Une équipe de chercheurs a maintenant construit une nouvelle machine conçue spécifiquement pour créer ces cages gelées et ultra-froides pour une molécule appelée monofluorure de baryum. Cette molécule est un candidat de premier choix pour cette recherche car son atome de baryum lourd amplifie les effets minuscules que les scientifiques recherchent. Les chercheurs ont construit une chambre à vide sophistiquée qui sert de laboratoire pour la croissance de ces cristaux. À l'intérieur, ils utilisent un laser de haute puissance pour bombarder une cible solide de fluorure de baryum, créant ainsi un nuage d'atomes et de molécules. Ce nuage est ensuite entraîné par un flux de gaz froid — soit du néon, soit une forme spéciale d'hydrogène — vers une chambre où il atterrit sur une plaque de saphir. Cette plaque est refroidie par un réfrigérateur mécanique à une température stupéfiante de 3,2 Kelvin, une température juste au-dessus du zéro absolu. À cette température extrême, les molécules de gaz se figent instantanément, formant un cristal solide qui piège le monofluorure de baryum à l'intérieur.

Ce qui rend cet appareil unique, c'est sa capacité à faire pivoter l'échantillon gelé sans rompre le vide ni le réchauffer. Une fois le cristal formé, les chercheurs peuvent faire pivoter la plaque pour qu'elle fasse face à différents instruments. Ils peuvent faire passer un laser à travers le cristal pour voir quelle quantité de lumière il absorbe, ou bien le faire pivoter pour qu'il fasse face à un miroir qui collecte la lumière dont le cristal est issu par luminescence. Cette flexibilité leur permet d'étudier le même cristal unique de plusieurs manières, garantissant que leurs mesures sont cohérentes et ne sont pas biaisées par des différences entre des échantillons distincts. Grâce à cette installation, l'équipe a réussi à faire croître des cristaux de néon dopés au monofluorure de baryum et a confirmé que les molécules étaient piégées et stables. Lorsqu'ils ont projeté une lumière laser spécifique sur le cristal, les molécules ont absorbé l'énergie puis l'ont réémise sous forme de lueur, ou fluorescence. En analysant cette lueur, ils ont identifié les états énergétiques spécifiques des molécules, confirmant que l'environnement du cristal de néon se comporte de manière très similaire à la phase gazeuse, ce qui est exactement ce qui est nécessaire pour des mesures précises.

Les chercheurs ont également testé le système avec un autre type de gaz, une forme spéciale d'hydrogène connue sous le nom de para-hydrogène. Bien que le néon ait bien fonctionné, l'hydrogène est théoriquement encore meilleur pour ces expériences car il est plus léger et interagit moins avec les molécules piégées. L'équipe a réussi à produire du monofluorure de baryum en utilisant l'hydrogène comme gaz de refroidissement, marquant une étape importante vers la croissance de cristaux dans ce milieu supérieur. Cependant, l'étude a également révélé un défi qui doit être géré lors de futures expériences. Lorsque la lumière du laser était trop intense ou que le cristal était extrêmement froid, le signal de lueur des molécules s'estompait rapidement. Les chercheurs ont déterminé qu'il ne s'agissait pas d'un échec des molécules elles-mêmes, mais d'un effet temporaire où l'intensité de la lumière ou le chauffage local provoquait l'arrêt momentané de la lueur des molécules. Ils ont constaté que cet effet d'atténuation devenait plus fort à mesure que la température diminuait et que la puissance du laser augmentait.

En plus du monofluorure de baryum, l'équipe a remarqué que leur laser produisait également des atomes de baryum neutres, qui étaient aussi piégés dans le cristal et brillaient avec leur propre couleur distincte. Cela a confirmé que le processus de bombardement par laser crée un mélange de différentes espèces, qui finissent toutes dans le bloc gelé. En mesurant la luminosité de la lueur, les scientifiques ont estimé le nombre de molécules de monofluorure de baryum piégées dans le cristal, trouvant une densité de l'ordre de 5 fois 10 à la puissance 13 molécules par centimètre carré. Cette nouvelle machine, avec son échantillon rotatif et sa capacité à atteindre des températures aussi basses que 3,2 Kelvin, constitue une plateforme robuste pour des études futures. Elle prouve que les scientifiques peuvent faire croître ces cristaux délicats, contrôler leur environnement et commencer le travail précis de sondage du moment dipolaire électrique de l'électron, nous rapprochant ainsi de la réponse à l'une des questions les plus profondes de la physique.