Dans le cadre du projet CYRAQS, une équipe du Laboratoire Aimé Cotton, en collaboration avec l’université de Pise, a observé des effets résonnants de transfert d’énergie à trois-corps dans un gaz froid d’atomes de Rydberg de césium en interaction dipôle-dipôle, à une température proche du zéro absolu (T ~ 100 vµK). Cet effet, qui se produit en l’absence de tout effet de transfert à deux-corps, est qualifié de « borroméen », en référence à la topologie des anneaux borroméens, dont le lien pour chaque paire d’anneaux est réalisé par le troisième anneau.
Les atomes très excités dits atomes de Rydberg, sont caractérisés par un nombre quantique principal n élevé, et possèdent des propriétés d’interaction dipôle-dipôle mutuelle à très grande portée pouvant atteindre la dizaine de micromètres. Ces propriétés font des atomes de Rydberg froids des candidats très intéressants pour la simulation quantique de nombreux systèmes physiques. En 1998, la première expérience avec des atomes de Rydberg froids a été réalisée au laboratoire Aimé Cotton, avec l’étude de la réaction de transfert résonnant d’énergie pour l’atome de césium
où deux atomes échangent de manière résonante de l’énergie interne (voir figure). La résonance du processus est obtenue par la présence d’un petit champ électrique, F1, qui modifie l’énergie du niveau p de manière à l’amener à « mi-chemin » entre celles des niveaux s. Cette résonance est aussi appelée résonance de Förster en référence aux processus biologiques FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), très similaires.
Une résonance de Förster à trois-corps peut induire la réaction plus complexe
La figure montre le schéma du processus, où un troisième atome, dit « relais », absorbe l’énergie en excès en transitant du niveau np vers un autre niveau np’. L’expérience est réalisée avec un gaz d’atomes de césium, refroidi par laser dans un piège magnéto-optique. Les atomes sont ensuite excités par laser vers un niveau de Rydberg, np. Le transfert de population des atomes depuis le niveau np vers les niveaux ns et (n+1)s est analysé en fonction du champ électrique F. La résonance à trois-corps se produit pour une valeur du champ électrique F2, différente de F1 ; ce qui permet d’isoler et différentier les effets à trois-corps de ceux à deux-corps. Une étude de l’influence de la densité initiale du gaz sur cet effet a démontré une dépendance cubique, confirmant l’implication simultanée de trois atomes. Une telle situation n’est pas commune en physique et permet d’étudier des ensembles de particules où le couplage élémentaire entre particules n’est plus une interaction à deux-corps mais à trois-corps, dans le cas présent entre trois atomes de Rydberg.
Ces résonances à trois-corps ouvrent de nouvelles perspectives, en particulier pour comprendre l’apparition des effets à N-corps, lorsqu’on atteint la saturation des effets à deux-corps. Les atomes de Rydberg gelés (immobiles à l’échelle de l’expérience) peuvent simuler de nombreux problèmes de physique comme les solides amorphes ou les verres de spin, mais pourraient également simuler des problèmes en biologie pour des processus de photosynthèse. Ces résonances à trois-corps conduisent aussi à l’intrication de trois atomes ouvrant de nouvelles perspectives pour l’information quantique.
A droite trois anneaux liés par couplage borroméen. La courbe en trait plein représente le transfert de population d’un gaz d’atomes de Rydberg 35p vers les états 35s et 36s dans le cas de l’atome de césium. Le pic le plus intense correspond à la résonance de Förster à deux-corps, tandis que le second correspond à la résonance borroméenne à trois-corps (respectivement obtenus pour 3.6 et 3.8 V/cm). Les schémas de niveaux au-dessus représentent les échanges non radiatifs.
Référence : Borromean three-body FRET in frozen Rydberg gases, R. Faoro, B. Pelle, A. Zuliani, P. Cheinet, E. Arimondo, P.Pillet, Nature Communications (2015)
Résultats obtenus dans le cadre du projet « Cold Ytterbium Rydberg Atoms for Quantum Simulation » (CYRAQS) financé par le thème 1 du LabEx PALM et porté par Patrick Cheinet.
