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Mar 31, 2024

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Nature volume 603, pages 411-415 (2022)Citer cet article 13k Accès 8 Citations 279 Détails des métriques altmétriques Lorsque les atomes sont placés dans des liquides, leurs raies spectrales optiques correspondant à la

Nature volume 603, pages 411-415 (2022)Citer cet article

13 000 accès

8 citations

279 Altmétrique

Détails des métriques

Lorsque les atomes sont placés dans des liquides, leurs raies spectrales optiques correspondant aux transitions électroniques sont considérablement élargies par rapport à celles des atomes isolés. Cette augmentation de la largeur de raie peut souvent atteindre un facteur de plus d'un million, obscurcissant les structures spectroscopiques et empêchant la spectroscopie à haute résolution, même lorsque l'hélium superfluide, qui est le liquide le plus transparent, le plus froid et le plus chimiquement inerte, est utilisé comme matériau hôte1,2, 3,4,5,6. Nous montrons ici que lorsqu'un atome d'hélium exotique avec un antiproton constitutif7,8,9 est intégré dans de l'hélium superfluide, sa raie spectrale de longueur d'onde visible conserve une largeur de raie inférieure au gigahertz. Une réduction brutale de la largeur de raie de la résonance laser antiprotonique a été observée lorsque le liquide entourant l’atome passait à la phase superfluide. Cela a permis de résoudre la structure hyperfine résultant de l'interaction spin-spin entre l'électron et l'antiproton avec une résolution spectrale relative de deux parties sur 106, même si l'hélium antiprotonique résidait dans une matrice dense d'atomes de matière normale. La couche électronique de l'atome antiprotonique conserve un petit rayon d'environ 40 picomètres lors de l'excitation laser7. Cela implique que d’autres atomes d’hélium contenant des antinoyaux, ainsi que des mésons et hypérons chargés négativement qui incluent d’étranges quarks formés dans l’hélium superfluide, peuvent être étudiés par spectroscopie laser avec une haute résolution spectrale, permettant la détermination des masses des particules9. Les raies spectrales nettes pourraient permettre la détection d’antiprotons de rayons cosmiques10,11 ou la recherche d’antideutons12 qui s’immobilisent dans des cibles d’hélium liquide.

Spectroscopie laser des atomes d'antihydrogène13,14 et d'hélium antiprotonique (\(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\equiv {{}^ {4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{2+}+{\bar{p}}^{-}+{e}^{-}\))7,8, 9 ont récemment été réalisées pour étudier la symétrie entre matière et antimatière. Ces expériences sont complémentaires à certaines mesures de précision sur les propriétés d'antiprotons uniques15,16. La haute précision de ces expériences ne pouvait être obtenue qu'en réduisant ou en éliminant les collisions avec des atomes normaux qui annihilaient les antiprotons des atomes exotiques ou perturbaient leurs niveaux d'énergie atomique et élargissaient fortement les résonances laser. Cela nécessitait de former l'antihydrogène ou \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\) dans des pièges magnétiques ou des cibles d'hélium gazeux extrêmement faible densité atomique ρ < 1018 cm−3, de sorte que des raies spectrales nettes d'atomes efficacement isolés ont été résolues à partir desquelles les fréquences de transition atomique ont été déterminées avec précision. Il a été constaté que d’autres atomes exotiques accélèrent et s’échauffent lors de leur formation et lors de collisions avec d’autres molécules19,20,21, de sorte que leurs raies spectrales de rayons X sont élargies. Dans ce travail, nous avons plutôt observé le phénomène surprenant selon lequel, contrairement aux résultats précédents sur les atomes exotiques, le \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e }}}^{+}\) intégrés dans de l'hélium superfluide (He II) ont montré des raies spectrales de longueur d'onde visible plus étroites que celles de nombreux autres atomes stables implantés constitués de matière normale rapportés jusqu'à présent. À la température de transition de phase superfluide où la densité atomique du liquide est la plus grande, la résonance du laser antiproton s'est brusquement rétrécie à des largeurs de raie inférieures au GHz correspondant à une résolution spectrale relative de 2 × 10−6, ce qui est plus d'un facteur 10 plus étroit que les mêmes spectres \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\) observés dans l'hélium en phase supercritique de densité inférieure. Cela implique que d’autres variétés d’atomes d’hélium contenant des antideutons – ou des mésons et hyperons chargés négativement22 qui incluent l’étrange quark qui ne peut pas être facilement décéléré et refroidi à l’aide de synchrotrons ou isolés dans des pièges à ions – pourraient plutôt être arrêtés dans He II et mesurés avec un spectre spectral élevé. résolution par spectroscopie laser. Le fait que les formes de lignes soient si sensibles à la température et à la phase du liquide suggère que \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\ ) peut être utilisé pour étudier certains effets de la matière condensée dans l'hélium superfluide23,24,25,26,27.