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Principe de l’expérience

par Laurent Hilico - 25 avril 2007

L’expérience consiste à sonder la transition à deux photons sans effet Doppler (v=0, L=2) -> (v’=1, L’=2) à 9.166 micron (v,L sont respectivement les nombres quantiques vibrationnel et rotationnel).

Bien que cette transition soit parmi les plus intenses dans H2+, le taux de transition attendu reste faible, de l’ordre de 30/s, en raison de l’absence de niveau intermédiaire quasi-résonnant. Il est nécessaire d’assurer des temps d’interaction longs, donc de travailler sur des ions piégés.

Une autre difficulté de l’expérience réside dans la détection de l’état excité, puisque les états liés de H $_2^+$ ne fluorescent pas (les transitions à un photon étant interdites). La solution retenue consiste à utiliser une photo-dissociation sélective : lorsqu’on éclaire des ions H $_2^+$ avec un laser UV ( $\lambda \sim$ 250nm), la section efficace de photo-dissociation de l’état vibrationnel v=1 (H $_2^+ \rightarrow$ H + H $^+$ ) est environ 200 fois plus grande que celle de l’état v=0. Ce mécanisme permet d’une part de préparer un nuage d’ions piégés dans l’état v=0 en « cassant » les v $\geq$ 1 , d’autre part de détecter l’excitation de la transition par une augmentation du nombre d’ions H $^+$ produits ; ceux-ci seront séparés des ions H $_2^+$ par temps de vols, envoyés sur un détecteur d’ions et comptés.

Finalement, la séquence expérimentale est la suivante :
création et piégeage des ions, en allumant simultanément le laser de photo-dissociation, de façon à optimiser le nombre d’ions créés dans l’état v=0 ;
excitation de la transition à 9.166 $\mu$ m ;
nouvelle étape de photo-dissociation UV ; extraction des ions du piège, séparation des espèces par temps de vol et détection des ions H $^+$ .

Le schéma simplifié du montage est représenté ci-dessous.

Les ions H $_2^+$ sont confinés dans un piège hyperbolique radiofréquence (piège de Paul) dans une enceinte sous ultra vide.
Un laser à excimère (KrF) à 248nm est utilisé pour la photo-dissociation sélective.
La source lumineuse qui excitera la transition est constituée d’un laser à cascade quantique (QCL) asservi en phase sur un laser à CO $_2$ oscillant sur la raie R(42), lui-même stabilisé par absorption saturée sur une raie de l’acide formique (HCOOH).

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