Physique et chimie moléculaire ultra-froide contrôlée par superposition quantique, intrication et champs

Ultracold molecular physics and chemistry controlled by quantum superposition, entanglement and fields

• Auteur / Autrice : Thibault Delarue
• Direction : Goulven Quemener
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Théorie des molécules froides: structure, dynamique, réactivité
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Molécules ultra-froides

Contrôle cohérent

Collisions

Dynamique quantique

Ultracold molecules

Coherent control

Collisions

Quantum dynamics

Résumé

Les molécules ultra-froides sont d'excellentes candidates pour les applications en physique quantique comme la simulation quantique, l'information quantique, les effets à N-corps et les mesures de précisions, ainsi que pour les applications en chimie quantique, comme les réactions chimiques ultra-froides contrôlées. C'est pourquoi il y a dans la communauté internationale un fort engouement théorique et expérimental pour produire, contrôler, manipuler et comprendre les propriétés de ces molécules. Ces molécules peuvent être soigneusement préparées dans des états quantiques individuels, elles peuvent avoir une longue durée de vie et être protégées de leur environnement, leurs interactions à longue portée peuvent être contrôlées et elles peuvent être contraintes dans des pièges de différentes dimensions ou être manipulées et déplacées à l'aide de pinces optiques. Nous proposons de préparer des molécules dipolaires ultra-froides dans une superposition quantique afin d'étudier la chimie de réactions ultra-froides par un contrôle quantique cohérent. Nous étudierons plus particulièrement la réaction chimique KRb + KRb → K2 + Rb2 aux ultra-basses températures. L'étude utilisera un formalisme quantique collisionnel indépendant du temps basé sur les coordonnées de Jacobi, incluant la structure rotationnelle des molécules dans un champ électrique externe (effet Stark), utilisant un développement en ondes partielles de la fonction d'onde. Cela conduit à un ensemble d'équations différentielles couplées, qui est résolu à l'aide de méthodes numériques de propagation. En appliquant les conditions aux limites, on obtient la matrice de diffusion qui permet de déduire les observables. A partir de cela, nous calculerons les taux de collision des processus collisionnels (élastiques, inélastiques, réactifs) entre deux molécules, en fonction de l'état quantique superposé préparé par l'onde électromagnétique. La préparation quantique peut aussi conduire à des termes intriqués et nous étudierons leurs effets sur les collisions. Enfin, nous calculerons les probabilités réactives d'états à états et regarderons l'effet additionnel d'un champ magnétique. Cela ouvre la voie à des études de chimie ultra-froide, “ultra-contrôlée”.

Ultra-cold molecules are excellent candidates for applications in quantum physics, such as quantum simulation, quantum information, many-body effects and precision measurements, as well as for applications in quantum chemistry, such as ultra-cold controlled chemical reactions. Therefore, there is a strong theoretical and experimental interest in the international community to produce, control, manipulate and understand the properties of these molecules. These molecules can be carefully prepared in individual quantum states, they can be long-lived and protected from their environment, their long-range interactions can be controlled, and they can be constrained in traps of different dimensions or manipulated and displaced using optical tweezers. We propose to prepare ultracold dipolar molecules in a quantum superposition in order to study the chemistry of ultracold reactions through coherent quantum control. In particular, we will study the chemical reaction KRb + KRb → K2 + Rb2 at ultra-low temperatures. The study will employ a time-independent collisional quantum formalism based on Jacobi coordinates, including the rotational structure of molecules in an external electric field (Stark effect), using a partial-wave expansion of the wave function. This leads to a set of coupled differential equations, which are solved using numerical propagation methods. By applying the boundary conditions, we obtain the scattering matrix, from which we deduce the observables. From this, we calculate the rate coefficients of collisional processes (elastic, inelastic, reactive) between two molecules, as a function of the superposed quantum state prepared by the electromagnetic wave. The quantum preparation can also lead to entangled terms, and we will study their effects on collisions. Finally, we will compute state-to-state reactive probabilities and look at the additional effect of a magnetic field. This paves the way for an ultra-cold, ''ultra-controlled'' chemistry.