La structure hyperfine d'un atome est une fine « partition » des niveaux d'énergie, issue de l'interaction entre l'électron et le noyau. Pour les isotopes alcalins tels que 6Li, 87Rb ou 133Cs, les constantes A sont mesurées avec une précision de l'ordre du hertz ou mieux. Mais le 40K restait une zone d'ombre : son abondance naturelle n'est que de 0,0117 %, ce qui rend difficile l'obtention d'un jet atomique dense ou d'une fontaine. La valeur précédente A = −h × 285,7308(24) MHz, adoptée dès 1977, freinait l'étalonnage des champs magnétiques, la description des résonances de Feshbach et l'extraction des interactions de spin dans les expériences sur les gaz ultrafroids. Ce travail s'inscrit dans la lignée des recherches où la spectroscopie de précision sur atomes ultrafroids remplace les méthodes traditionnelles à jet ou à fontaine, mais il s'en distingue par l'utilisation d'un gaz de fermions dégénéré dans un piège optique et par l'absence de blindage magnétique.
Dans un piège constitué de faisceaux croisés à 1064 nm, un gaz de fermions dégénéré de 40K a été préparé à une température de 0,3 TF. Deux transitions entre sous-niveaux hyperfins ont été choisies : α (|9/2, −1/2⟩ ↔ |7/2, 1/2⟩) et β (|9/2, 1/2⟩ ↔ |7/2, −1/2⟩). Ces deux transitions sont insensibles au champ magnétique au premier ordre, de sorte que leurs fréquences dépendent peu des fluctuations du champ. Dans un premier temps, les résonances ont été localisées grossièrement à l'aide d'impulsions π gaussiennes, puis une spectroscopie de Ramsey a été réalisée avec deux impulsions π/2 carrées d'une durée de 0,15 ms. Les fréquences de transition ont été extraites des oscillations de population en faisant varier le temps d'évolution libre. Pour éliminer le déplacement dû à l'effet Stark alternatif créé par le piège, les fréquences ont été mesurées à plusieurs intensités et extrapolées à intensité nulle. Le champ magnétique n'a pas été étalonné : sa valeur a été remplacée par la différence des fréquences des deux transitions, et la constante A a été calculée à l'aide d'une formule où le champ est éliminé analytiquement.
Les mesures ont été effectuées pour six valeurs du champ magnétique comprises entre 0,76 et 2,35 G. La cohérence de Ramsey atteignait 378 ms à 0,76 G et diminuait à 108 ms à 2,35 G. Après extrapolation à intensité de piège nulle et moyenne pondérée par l'inverse de la variance, on obtient A = −h × 285,730536(2) MHz. L'incertitude totale de 2 Hz se compose des contributions du bruit magnétique (de 1,29 à 13,45 Hz selon le champ), de l'extrapolation du déplacement Stark (de 1,11 à 26,70 Hz) et des incertitudes sur les facteurs g (0,15 Hz pour gI et négligeable pour gJ). Aucun déplacement de densité n'a été observé : en faisant varier la densité d'un facteur 8, la valeur de A ne changeait que de quelques fractions de hertz, ce qui est cohérent avec la suppression des collisions en onde s dans un gaz de fermions. Par rapport à l'ancienne valeur recommandée, la précision est améliorée d'un facteur presque 1200.
Ce travail comble une lacune de longue date en métrologie des atomes alcalins : le 40K est désormais au même rang que le 6Li, le 87Rb et le 133Cs en termes de précision de la constante hyperfine. La méthode ne nécessite ni blindage magnétique ni étalonnage du champ, ce qui simplifie les expériences et réduit les erreurs systématiques. Contrairement aux travaux voisins où les constantes hyperfines étaient mesurées dans des jets ou des fontaines, ici on utilise un gaz de fermions dégénéré dans un piège optique. Cela a permis d'atteindre une densité élevée et un temps de cohérence long sans infrastructure magnétique complexe. Cette approche pourrait devenir la norme pour d'autres isotopes rares.
Une amélioration supplémentaire de la précision est possible en supprimant le bruit magnétique : des sources de courant plus stables ou un blindage magnétique allongeraient la cohérence de Ramsey. Pour éliminer complètement le déplacement Stark dû au piège, on pourrait choisir une longueur d'onde ou une polarisation « magique » pour laquelle le déplacement différentiel s'annule. La méthode est transposable à d'autres atomes et transitions où une spectroscopie de précision sans étalonnage du champ est nécessaire.
La constante A affinée améliorera l'étalonnage des champs magnétiques dans les expériences sur les gaz ultrafroids, l'ajustement des résonances de Feshbach et la détermination des interactions de spin. Cela aura un impact direct sur la précision des simulateurs quantiques et des horloges atomiques basés sur le 40K.
Vérifier la reproductibilité de la méthode sur d'autres isotopes du potassium ou sur le 6Li. Étudier la possibilité d'utiliser des conditions de piège « magiques » pour éliminer complètement le déplacement Stark.
En physique des atomes ultrafroids, l'étalonnage précis du champ magnétique reste un point critique : il limite la reproductibilité des résonances de Feshbach et la comparaison des résultats entre laboratoires. Ce travail lève ce problème pour le 40K en fournissant une référence de fréquence indépendante du champ. Cela permet de passer à des mesures plus précises des interactions de spin et, éventuellement, à de nouveaux tests de symétries fondamentales.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Dans ce travail, la constante de structure hyperfine A du 40K a été mesurée avec une précision de 2 Hz en utilisant une paire de transitions insensibles au champ magnétique dans un gaz de Fermi dégénéré piégé optiquement. La dépendance au champ magnétique est éliminée analytiquement grâce à la différence des fréquences de transition, et le déplacement Stark est supprimé par extrapolation à intensité nulle.
Où est sa force
La méthode ne nécessite ni étalonnage du champ magnétique, ni blindage magnétique, ce qui la rend transférable à d'autres isotopes et à d'autres conditions. La haute cohérence de Ramsey (jusqu'à 378 ms) dans le gaz de Fermi ouvre la voie à une précision encore accrue.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
Une valeur précise de A pour le 40K améliore l'étalonnage des champs magnétiques dans les expériences sur les gaz ultrafroids, renforce la fiabilité du calcul des résonances de Feshbach et affine les interactions de spin, ce qui est important pour les simulations quantiques et la métrologie.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est vide autour de ce travail : l'analyse la plus proche n'est qu'à 0.50, contre 0,64 d'ordinaire. Il semble qu'on ait peu foré à côté.
L'abondance naturelle du 40K n'est que de 0,0117 % : sur un million d'atomes de potassium, seuls 117 sont cet isotope. Pour obtenir des millions d'atomes pour l'expérience, il faut recourir à un enrichissement coûteux.