Projet ANR-08-JCJC-0053 – TADOTI : Dynamique et thermodynamique d'ions piégés
Programme : Jeunes chercheuses et jeunes chercheurs (JCJC) 2008
Année de financement : 2008
Coordinateur du projet : UNIVERSITE  AIX-MARSEILLE I [DE PROVENCE] (UNIVERSITE  AIX-MARSEILLE I [DE PROVENCE])
Partenaires : Aix-Marseille université
Montant : 200000.0 euros
Date de début : 2009
Durée : 48 mois
Résumé : Ce projet a pour objectif l'étude expérimentale et théorique de systèmes a N particules, en interaction à longue portée. L'outil expérimental est un nuage d'ions confiné dans un piège radiofréquence linéaire, refroidi par interaction avec un laser. L'interaction à longue portée est ici fournie par la répulsion coulombienne entre ions. Ce système peut être décrit à une échelle microscopique, en incluant même des effets quantiques, ou à l'échelle macroscopique, tel un milieu continu. Ces différentes approches permettent de relier entre eux les différents paramètres du problème, tels que le nombre d'atomes, le potentiel confinant ou la température limite du refroidissement. Les ions piégés offrent aussi un outil d'investigation intéressant pour une étude détaillée de la dynamique et la thermodynamique des systèmes a N particules. Ceci permet de rassembler autour d'un même système expérimental des spécialistes de dynamique non-linéaire et de physique statistique. On décrit parfois de tel systèmes, par le terme OCPs pour one-component plasmas. Ils ont été étudiés théoriquement ces 10 dernières années, mais aussi expérimentalement depuis l'utilisation du refroidissement laser sur des ions piégés.Dans le régime des basses températures et dans le cas d'un plasma infini, Wigner a montré que les ions cristallise dans une structure cubique face centrée. Une telle structure a été obervée au centre de gros nuages confinés en piège de Penning. Dans les pièges radiofréquences, où jusqu'ici, le nombre d'ions piégés n'est pas suffisant pour une telle observation, l'importance des effets de surface donne lieu à une compétition entre l'influence des conditions aux limites (définies par le potentiel confinant) et l'effet de volume, contrôlé par le nombre d'ions. A basse température, les structures observées vont des chaînes 1D aux sphéroïdes à 3D, en passant par des structures 2D planaires ou cylindriques. A plus haute température, en régime fluide, les ions piégés manifestent des comportements de dynamique non linéaire. Un des interets de ce projet réside dans la possibilité d'observer un comportement chaotique pour un nuage d'ions. Un autre intérêt particulier réside dans les transitions de phase du nuage vers une structure stationnaire, lors de son refroidissement laser. Comme le système est loin de la limite macroscopique, les effets de taille finie restent très importants, que ce soit pour la structure elle même que pour les propriétés dynamiques et thermodynamiques. Certaines de ces manifestations sont déjà bien connues dans le cas de piège linéaires quadrupolaires. Dans ce cas, à basse température, la densité d'ions dans le nuage est uniforme. Avec des pièges d'ordre supérieur, la densité augmente au bord du nuage pour se vider au centre, donnant naissance à des structures complètement différentes. Nous souhaitons compléter l'étude de l'influence du potentiel confinant par des simulations numériques des structures stables pour de grands nuages, en utilisant des méthodes de type Monte Carlo ou dynamique moléculaire. Ensuite, les comportements dynamiques et thermodynamiques de ses grands nuages seront étudiés. Le dispositif expérimental choisi pour cette étude est un double piège radiofréquence linéaire, conçu spécifiquement pour ce projet. Dans de tels pièges, une tension radiofréquence assure le confinement dans le plan transverse à l'axe du piège tandis que le confinement le long de l'axe est assurée par une tension statique. La configuration habituelle, utilisant quatre électrodes, donne lieu à un pseupotentiel moyen de forme parabolique. Nous proposons de coupler ce piège harmonique à une seconde partie, de géomètrie d'ordre supérieure (2k-pole avec k=4 or 6) et où le pseudopotentiel peut être décrit par r^(2k-2). Ces deux formes de potentiel se traduisent par des distributions de densité et donc des comportements dynamiques différents, offrant le possibilité de tester des prédictions théoriques. Ce dispositif expérimental offre de nomb