Plasma piégé ou refroidi par laser

s r(t) ri  r(t) ri − 1  + ln   s r(t) ri + s r(t) ri − 1  

Cette équation montre au départ une évolution autosimilaire suivie d’une onde de choc de densité ionique en périphérie. Notons tout de même que ne prenant pas en compte les effets de corrélation entre ions cette équation surestime cette onde de choc.

Une conclusion de mes travaux est que les analogies (mouvement brownien, expansion des plasmas laser dans le vide, amas globullaires, ... ) montrent que le système des plasmas ultra-froids paraît être un système modèle pour l’étude d’autres types de plasmas moins simple à étudier.

5.5 Évolution future des recherches

5.5.1 Plasma moléculaire

Nous avons la volonté constante de relier les deux aspects de nos expériences : molécules froides par photoassociation et atomes de Rybderg. Disposant depuis peu d’un échantillon de molécules froides dans un seul niveau vibrationel, il devient envisageable de les ioniser juste au seuil d’ionisation pour former ainsi un plasma moléculaire ultra-froid. Au cours de la rédaction de mon manuscrit, cette idée fut réalisée, par le groupe de E. Grant (Vancouver), qui vient très récemment de former le premier plasma ultra-froid moléculaire. Le plasma est formé en excitant un jet supersonique de NO dans des états de Rydberg qui s’ionisent spontanément sans se dissocier [Morrison et al., 2008].

De nombreuses questions restent cependant ouvertes. Je pense, par exemple qu’il est pos-sible que le processus de recombinaison à trois corps soit très différent dans ce plasma que dans un plasma atomique. En effet les molécules de Rydberg ainsi formées seront sans doute instables et prédissocieront rapidement empêchant une cascade radiative et donc un chauffage de l’échantillon. Il est ainsi possible qu’un plasma moléculaire soit plus stable qu’un plasma atomique et que l’observation du régime corrélé y soit plus aisé.

5.5.2 Plasma piégé ou refroidi par laser

L’observation d’un plasma corrélé est depuis toujours la quête des chercheurs étudiant les plasmas ultra-froids. On pourrait même envisager des états de dégénérescence quantique en ap-prochant les températures de Fermi. Afin d’atteindre ces buts, les recherches actuelles s’orientent vers le contrôle de la recombinaison à trois corps et de l’effet de chauffage induit par le désordre initial qui ont empêché jusqu’à présent l’observation du régime corrélé dans les plasmas ultra-froids.

Des prédictions théoriques [Pohl et al., 2004c] du groupe de Dresde montrent par exemple qu’en ionisant un gaz d’atomes parfaitement ordonnés, comme issu d’une transition de Mott

5.5. ÉVOLUTION FUTURE DES RECHERCHES 59 [Greiner et al., 2002], il est possible d’atteindre un régime ionique corrélé. Le même groupe a aussi prédit [Pohl et al., 2004a] qu’un refroidissement laser des ions du plasma permet d’ef-fectuer une mélasse optique ralentissant l’expansion du plasma et permettrait d’atteindre un régime ionique corrélé. Le piégeage des plasmas ultra-froids est en effet un enjeu important. Il est utile de noter qu’en ne piégeant qu’un type de particule (ion ou électron) l’autre est quasiment automatiquement piégé par la charge d’espace. Le groupe de G. Raithel vient par exemple très récemment de réaliser le piégeage d’un plasma mais dans un piège de type Penning où les effets de champ magnétique sont très importants [Choi et al., 2008].

Pour ma part, il me semble que la possibilité d’utiliser un laser externe pour agir sur les ions en les refroidissant par exemple, est extrêmement attractive et, comme mentionné précé-demment, nous réfléchissons à l’opportunité de débuter une expérience avec des ions Ytterbium qui pourrait permettre de refroidir un gaz de Rydberg ou même un plasma.

Il reste néanmoins à éviter la recombinaison à trois corps. L’utilisation d’un plasma molécu-laire pourrait être intéressant. Une autre idée pourrait être d’ioniser les atomes de Rydberg for-més lors de cette recombinaison, soit en utilisant un rayonnement micro-onde [Fletcher et al., 2007], soit un laser à CO₂ [Gabbanini, 2006]. La difficulté est évidemment de bien contrôler le proces-sus pour ne pas simultanément trop chauffer les électrons du plasma.

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Chapitre 6

Application à la production d’un faisceau

d’ions ou d’électrons

Nous avons, en 2007, développé en partenariat avec le Laboratoire de Physique des Solides (LPS), spécialiste de la spectrométrie de perte d’énergie d’électrons (EELS), et la société Orsay Physics (pour laquelle j’effectue une consultance scientifique), leader mondial dans la fabrica-tion des colonnes de faisceaux d’ions focalisés (Focussed Ion Beam, FIB), un projet visant à utiliser des Gaz ULtra-Froids en vue de la production d’une Source TRès intense d’Electrons et d’ions Accélérés Monocinétiques. Ce projet (GULFSTREAM) à été favorablement évalué par le Réseau thématique de recherche avancée (RTRA : fondation de coopération scientifique "Digiteo-Triangle de la physique") et je suis actuellement en train d’étudier la meilleure solu-tion technologique afin de faire démarrer le montage expérimental en juillet 2008 pour la venue d’Andréa Fioretti, payé par le RTRA, pour une année.

Le but de ce projet que je vais décrire rapidement ci-dessous, est d’étudier et d’utiliser des plasmas et des gaz de Rydberg ultra-froids afin de réaliser une source d’ions ou d’électrons monocinétiques très brillante. Les sources, MOTES (Magneto-Optical-Trap Electron Source) et MOTIS (Magneto-Optical-Trap Ion Source), provenant de l’extraction des charges de ces systèmes froids sont en effet potentiellement plus monocinétiques, plus brillantes et moins di-vergentes que les sources existantes.

6.1 Introduction et contexte international

Ce projet recouvre les applications FIB, de microscopie électronique et d’extraction de charge des plasmas ultra-froids. Bien que non spécialiste des deux premiers points, il est impos-sible de ne pas donner ici quelques enjeux du projet. On trouvera bien entendu de nombreuses références sur le site web du groupe "European Focused Ion Beam Users Group" ou dans le "Que sais-je ?" de Christian Colliex sur "La microscopie électronique".

Un enjeu majeur du projet est de développer, en collaboration avec la société Orsay Physics, un prototype de machine FIB mieux adaptée à la demande du marché des années à venir. Je vais donc commencer par décrire la partie du projet consacrée à la réalisation d’un faisceau d’ions.