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Atomes jumeaux
Permanents : Gabriel Rahmat, Jacques Robert
Il s’agit de réaliser des expériences de type Einstein-Podolski-Rosen de corrélations d’états quantiques entre deux particules séparées spatialement, issues d’un état pur (paires EPR). Ces expériences s’inscrivent dans la lignée de celles réalisées à l’Institut Optique Théorique et Appliquée dans le groupe de Alain Aspect, pour des photons jumeaux. Nous allons transposer les schémas développés pour les photons jumeaux à des atomes jumeaux issus de la dissociation d’une molécule d’hydrogène sur une voie doublement excitée :H2 -> H(2ℓ)+H(2ℓ), tel que le montre le schéma ci-dessous. Il existe actuellement une seule autre expérience de ce type en cours, c’est l’expérience de E. Fry au TAMU (Texas), où les atomes jumeaux de mercure à l’état fondamental sont produits par la dissociation de la molécule de mercure. Cette expérience n’a pour l’heure, pas donné de résultats. Les atomes jumeaux issus d’un état moléculaire bien défini réalisent un type d’intrication très particulier qu’ils vont en révéler au cours de la dissociation compte tenu de la complexité dynamique sous-jacente. Dans ce sens ces expériences sont complémentaires des celles réalisées dans le groupe de Serge Haroche au Laboratoire Kastler Brossel, où l’intrication est réalisée par l’application d’un champ extérieur connu. L’excitation de H2 par impact électronique, permet d’atteindre par une transition Franck-Condon des états dissociatifs doublement excités de la molécule, dont certains sont susceptibles de donner des paire d’atomes corrélés dans l’état H(2S) polarisés en spin et de vitesse opposées (40km/s). Nous avons montré qu’il est possible expérimentalement de sélectionner l’état de spin de ces atomes et de manipuler la phase de l’onde atomique associée par interférométrie Stern Gerlach. Pour cette étude nous croisons un jet supersonique d’hydrogène par un faisceau d’électron pulsé de 33 eV. Les atomes métastables « jumeaux » produits avec des vitesses opposées seront détectés en coïncidence avec leur spin sur deux bras à 20 cm de la région de dissociation.
- Dissociation de H2 en jumeaux métastables H(2s)
Dans un premier temps, le comptage en coïncidence avec analyse de l’état de spin de chaque fragment sur chacun des bras d’un temps de vol, permettra de réaliser une expérience de corrélation EPR atomique dans sa version la plus simple.
Dans un deuxième temps, la manipulation de la phase atomique par interférométrie Stern Gerlach sur un ou sur les deux bras permettra de gagner en finesse dans l’analyse (estimation de la cohérence de la source associée à la pureté de l’état moléculaire initial, détermination des longueurs de cohérences indiquant comment les couplages avec les autres états interviennent au cours de la dissociation,...). Nous avons montré qu’il est également possible de manipuler le contraste des figures d’interférence atomique par sélection de délais entre atomes. Ici on peut espérer réaliser cette sélection entre paires d’atomes corrélés et étudier au travers de celle-ci les caractéristiques statistiques associées à la cohérence du processus de dissociation.
Dans cette expérience le maintient ou la perte de corrélation est déterminé par l’interaction entre les deux atomes qui doit être connue très précisément. Le système balaye tous les domaines de distances depuis l’interaction entre particules par l’interaction Coulombienne instantanée jusqu’à l’interaction électromagnétique retardée (Casimir-Polder). Les symétries des états moléculaires, (indiscernabilité , les symétries angulaires, etc...) jouent ici un rôle capital.
Avec l’hydrogène atomique, nous avons l’avantage, au niveau des fragments, d’avoir des états atomiques excités simples n’impliquant qu’un seul électron. Les atomes étant porteurs d’un spin, les termes magnétiques interviendront dans le processus de corrélation. Le rôle des spins nucléaires pourra être discriminé expérimentalement puisqu’il est possible de travailler avec un mélange déterminé de molécules d’hydrogène dans l’état ortho ou para.
Cette expérience concerne un des systèmes di-excités les plus simples encore mal connus expérimentalement. Puisque les états dissociatifs sont très proches les uns des autres, les couplages dynamiques jouent un rôle important dans le choix de la voie de dissociation.
Dans une seconde phase nous envisageons une photo-dissociation avec contrôle de la direction de l’axe moléculaire afin d’augmenter l’intensité des signaux, ceci est réalisable lorsque le laser de photo-dissociation est appliqué pendant que les molécules sont dans le champ d’un laser d’orientation.
