Diffraction atomique au travers d’un nanoréseau
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1) Composition de l’équipe :
Permanents : Gabriel Dutier (Pr.), Quentin Bouton (CR CNRS), Nathalie Fabre (MCF), Francisco Perales (MCF), Martial Ducloy (DRCE Emeritus).
Etudiants en thèse : Julien Lecoffre, Ayoub Hadi et Matthieu Bruneau (cotutelle avec l’Université de Leibniz à Hanovre en Allemagne)
Contacts : Gabriel Dutier, Quentin Bouton, Nathalie Fabre.
2) Contexte :
Un atome mis devant une surface est un problème simple mais fondamental de la physique. Il permet d’une part de tester l’électrodynamique quantique et d’autre part il est important pour l’étude des dispositifs nanotechnologiques et des technologies quantiques. En particulier, l’interaction entre l’atome et les fluctuations du champ électromagnétique du vide, qui sont modifiées par la présence de la surface, induit une force sur l’atome. Cette force est appelée la force de Casimir-Polder (C-P).
Cette force atome-surface est la force dominante à l’échelle nanométrique. Elle joue par conséquent un rôle important dans de nombreux domaines et interfaces de la physique tels que la physique atomique, la biophysique ou la physico-chimie. La compréhension de cette force est primordiale pour explorer de nouvelles physiques impliquant un atome et un matériau.
Dans ce contexte, notre équipe a construit un jet lent d’atomes et étudie la diffraction en transmission de ces atomes à travers un nanoréseau (réseau aux dimensions nanométriques avec par exemple des fentes de largeur 100 nm, une période 200 nm et une épaisseur 100 nm). L’équipe fabrique ses propres nanoréseaux dans le cadre du réseau national RENATECH à l’Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN, Lille). Notre approche permet de sonder l’interaction de C-P pour des distances typiques de l’ordre de plusieurs dizaines de nanomètres.
3) Expérience :
Notre source atomique est constituée d’atomes d’argon dans l’état métastable 43P2 et est refroidie par laser. Les atomes sont ensuite poussés à l’aide d’un faisceau laser pour créer un jet d’atomes lent avec des vitesses comprises entre 10 m/s et 50 m/s [1]. Les atomes du jet passent à travers les fentes du nanoréseau et interagissent avec les barreaux via le potentiel de C-P. Ils sont par la suite détectés avec une galette à micro-canaux (Figure 1). Le déphase du paquet d’onde induit par l’interaction de C-P modifie profondément la figure de diffraction mesurée (déphase proportionnel au temps d’interaction avec la surface). Nos mesures sont très sensibles aux forces de C-P (Figure 2).
Figure 1 : Schéma de l’expérience. Les atomes d’argon interagissent avec les barreaux du nanoréseau via le potentiel de C-P. Cette interaction modifie la figure de diffraction. Il est donc possible d’extraire des informations sur le potentiel de C-P de l’analyse de celle-ci.
Figure 2 : Figure de diffraction obtenues pour un jet atomique avec une vitesse de 19 m/s (en bleue). L’angle θ représente l’angle de diffraction. On a représenté en rouge la courbe théorique attendue sans prendre en compte l’interaction de C-P. La différence entre la courbe bleue et la courbe rouge montre l’influence de l’interaction de C-P sur la figure de diffraction.
Figure 3 : Vidéo montrant les atomes d’argon arrivant sur le détecteur au cours d’une acquisition expérimentale. Au fur et à mesure que les atomes arrivent le détecteur, la figure d’interférence devient de plus en plus visible !
4) Photo de groupe :
5) Offre de stage/thèse/post-doc :
Nous sommes toujours à la recherche de doctorants, post-doctorants ou stagiaires pour rejoindre notre équipe. N’hésitez surtout pas à nous contacter !
Cette année, nous proposons un stage de M2 et une thèse. Voir l’annonce ici.
6) Nouvelles récentes :
Juillet 2024 : nous venons de publier un nouveau prepint où nous analysons les figures d’interférence avec des outils d’analyse statistique pour mesurer l’interaction Casimir-Polder. arXiv:2407.14077 (2024).
Juillet 2024 : nous avons obtenu un financement ANR pour le montage expérimental Argon.
Mars 2024 : Julien Lecoffre a participé à la finale régionale de “Ma thèse en 180 secondes” ! Sa vidéo est disponible ici.
Mai 2023 : notre article «Quantum description of atomic diffraction by material nanostructures» est désormais publié dans Phys. Rev. Research. Un grand merci à nos collaborateurs théoriques N. Gaaloul et à E. Charron.
Décembre 2023 : nouveau prepint posté sur arXiv (arXiv:2312.12818) où nous présentons un modèle théorique de diffraction d’ondes de matière à travers une nanostructure.
Octobre 2023 : nous accueillons Ayoub Hadi, nouveau doctorant sur l’expérience ! Bienvenue Ayoub !
Octobre 2023 : nous accueillons Matthieu Bruneau, nouveau doctorant en co-tutelle entre notre équipe et l’Université de Leibniz à Hanovre, en Allemagne. Bienvenue Matthieu !
7 ) Publications :
2024
J. Lecoffre, A. Hadi, M. Bruneau, C. Garcion, N. Fabre, E. Charron, N. Gaaloul, G. Dutier, Q. Bouton, Measurement of Casimir-Polder interaction for slow atoms through a material grating, arXiv:2407.14077 (2024).
C. Garcion, Q. Bouton, J. Lecoffre, N. Fabre, É. Charron, G. Dutier, and N. Gaaloul, Quantum description of atomic diffraction by material nanostructures, Phys. Rev. Research 6, 023165 (2024).
2021
C. Garcion, N. Fabre, H. Bricha, F. Perales, S. Scheel, M. Ducloy, and G. Dutier, Intermediate-Range Casimir-Polder Interaction Probed by High-Order Slow Atom Diffraction, Phys. Rev. Lett. 127, 170402 (2021).
8) Collaborations :
- Institut d’Electronique de Microelectronique et de Nanotechnologie (Lille, France).
- N. Gaaloul (Université de Leibniz à Hanovre, Allemagne).
- E. Charron (Université Paris-Saclay, Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay, France).
- Kanu Sinha (Arizona State University).
9) Financement :
10) Anciens membres :
- – Charles Garcion (Thèse 2019-2022)
- – Ilias Boutaleb (2023, M1, Sorbonne université)
- – Hajra Ghulam (2022, M1, Université de Paris)
- – Fabio D’ORTOLI-GALERNEAU (2022, L3, ENS)
- – Baazia Elmehdi (2022, Ingénierie en Instrumentation, Institut Sup Gallilée)
- – Hanane Bricha Tazi (thèse 2016-2019)
- – Franck Correia (thèse 2015-2018)
- – Mehdi Hamamda (2012-2015)
- – Thierry Taillandier-Loize (thèse 2011-2014)
11) Références :
[1] C. Garcion, N. Fabre, H. Bricha, F. Perales, S. Scheel, M. Ducloy, and G. Dutier, Intermediate-Range Casimir-Polder Interaction Probed by High-Order Slow Atom Diffraction, Phys. Rev. Lett. 127, 170402 (2021).
[2] J. Lecoffre, A. Hadi, M. Bruneau, C. Garcion, N. Fabre, E. Charron, N. Gaaloul, G. Dutier, Q. Bouton, Measurement of Casimir-Polder interaction for slow atoms through a material grating, arXiv:2407.14077 (2024).
[3] R. Bennett, Revealing short-range non-Newtonian gravity through Casimir–Polder shielding, New J. Phys. 21 033032 (2019).
12) Des images de l’expérience :
