Des chercheurs explorent les effets quantiques de la lumière sur la création d’états de Rydberg dans les molécules d’hydrogène

Les atomes et les molécules de Rydberg se caractérisent par la présence d’un ou plusieurs électrons dans des états liés hautement excités. On dit que ces atomes et molécules sont dans des « états de Rydberg » et sont également appelés atomes et molécules « creux ». Les états de Rydberg sont utiles pour étudier divers phénomènes résultant d’une interaction lumière-matière intense qui implique une excitation électronique avec une impulsion laser intense via des processus optiques tels que «l’excitation résonnante multiphotonique» et «l’ionisation tunnel frustrée».

Dans l’excitation résonnante multiphotonique, les atomes ou les molécules sont excités aux états de Rydberg par l’absorption de plusieurs photons (unités de rayonnement électromagnétique). En revanche, les états de Rydberg induits par l’ionisation tunnel frustrée résultent d’une interaction entre l’électron et le champ électrique intense du laser. Ainsi, le photon laser et le champ laser contribuent conjointement au processus d’excitation de l’état de Rydberg (RSE). Cependant, l’étendue des contributions individuelles de ces deux effets n’a pas été déterminée expérimentalement jusqu’à présent.

Or, dans une étude publiée dans Photonique avancéeune équipe de chercheurs dirigée par le professeur Jian Wu de l’East China Normal University a développé une méthode expérimentale pour isoler les effets de chaque mécanisme dans RSE.

Leur méthode consiste à exciter des molécules d’hydrogène aux états de Rydberg en contrôlant l’effet photon et l’effet de champ à l’aide d’un champ laser bicirculaire bicolore (BCTC), un type de champ laser généré en combinant deux faisceaux laser polarisés circulairement avec des fréquences différentes. L’utilisation de deux faisceaux laser a permis aux chercheurs d’ajuster l’énergie des photons utilisés pour exciter les atomes d’hydrogène.

De plus, en modifiant l’hélicité du champ BCTC, ils ont pu activer et désactiver les processus de recapture d’électrons, manipulant l’effet de champ. Ainsi, ils ont pu générer des états de Rydberg tout en faisant varier la mesure dans laquelle chaque effet contribuait au processus. Les chercheurs ont ensuite déterminé dans quelle mesure les processus d’excitation de champ et d’absorption de photons contribuaient au RSE en comparant les rendements de l’état de Rydberg pour différentes polarisations et nombres de photons.

« En ajustant finement l’intensité relative du champ des deux couleurs, nous pourrions manipuler la forme d’onde du champ laser et le nombre de photons participant aux processus RSE et, à leur tour, les contributions relatives des effets de champ et de photon », explique Hongcheng. Ni, l’auteur co-correspondant de l’ouvrage.

Dans leur configuration expérimentale, les champs laser BCTC ont été générés en utilisant la combinaison d’une impulsion laser à onde fondamentale (FW) et d’une impulsion de seconde harmonique (SH) avec deux fois la fréquence fondamentale. Ces impulsions ont été combinées à l’aide d’un miroir dichromatique pour générer des champs laser bicolores contrarotatifs ou corotatifs. Ces impulsions ont ensuite été focalisées sur un jet supersonique d’hydrogène gazeux à l’intérieur d’un microscope à réaction pour créer des états de Rydberg des molécules d’hydrogène.

Les chercheurs ont découvert que l’augmentation de la force relative du champ SH (avec des photons deux fois plus énergétiques que le champ FW) entraînait une augmentation globale du rendement des états de Rydberg, indiquant un rôle important de l’effet photon. De plus, la commutation de la polarisation du champ BCTC de la co-rotation à la contre-rotation a également conduit à une augmentation du rendement de l’état de Rydberg. Les chercheurs ont attribué cette observation à la suppression de l’effet de champ pour les champs co-rotatifs.

L’étude expérimentale fournit des informations importantes sur le RSE dans un champ laser intense avec des implications potentielles pour un large éventail de domaines, y compris la physique quantique, la chimie et l’astrophysique. « Les atomes et les molécules de Rydberg ont le potentiel de servir de blocs de construction pour les technologies avancées liées à l’information quantique, à l’optique non linéaire quantique, aux interactions à plusieurs corps à longue portée et aux mesures de précision. À cet égard, notre étude peut offrir une voie prometteuse pour manipuler et optimiser les rendements RSE sous des excitations de champ laser intenses », explique Wenbin Zhang, le premier auteur et co-auteur correspondant de l’ouvrage.