Spectroscopie à 9 µm : absorption saturée dans HCOOH à 10 Hz près et transition à deux photons dans H2+

Spectroscopy at 9 µm : saturated absorption in HCOOH at 10 Hz accuracy level and two-photon transition in H2+

• Auteur / Autrice : Maxime Leuliet
• Direction : Laurent Hilico, Jean-Philippe Karr
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/12/2025
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Hugues Fillion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Pirali
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Champenois, Frédéric Merkt
• DOI : 10.70675/ef5c30e4z8d53z46ecz9001z77df0688643e

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie laser

Spectroscopie d'absorption

Ions piégés

Dynamique moléculaire

Spectres de rotation-vibration

Mots clés libres

Spectroscopie

Laser

Transitions moléculaires

Métrologie

Nuages d'ions

Peigne de fréquences

Spectroscopy

Laser

Molecular transitions

Metrology

Ion clouds

Frequency comb

Résumé

Le rapport de la masse du proton à celle de l'électron, mp/me, est une des constantes fondamentales. Sa détermination expérimentale est nécessaire pour tester les prédictions du Modèle Standard. Pour cela, nous nous intéressons à une transition rovibrationnelle à deux photons sans effet Doppler dans la molécule H2+, à 9,166 µm. La spectroscopie de cette molécule se fait à l'aide d'un laser à cascade quantique asservi sur un laser à CO2, lui-même référencé au Système International grâce à un peigne de fréquences dont le taux de répétition est asservi sur un signal optique ultrastable produit à l'Observatoire de Paris et délivré par le réseau fibré REFIMEVE. Ce système laser a tout d'abord été utilisé pour réaliser la spectroscopie d'absorption saturée d'une transition rovibrationnelle de l'acide formique en cavité Fabry-Pérot. Une étude systématique poussée a permis d'élaborer un modèle de profil spectral tenant compte des effets de déformation liés à la pression, à la saturation, à la modulation et à la structure hyperfine. La fréquence centrale de la transition est mesurée à mieux que 10 Hz près. Les coefficients d'élargissement collisionnel par l'acide formique, le diazote et l'air sont déterminés. L'étude de la transition à deux photons de H2+ a commencé. L'échantillon utilisé est un nuage d'ions H2+ piégés et refroidis sympathiquement par des ions Be+ refroidis par laser. L'observation de l'évolution de l'image du nuage d'ions pendant la séquence de spectroscopie a permis de détecter les premiers signaux de transition vibrationnelle à deux photons dans H2+ ouvrant la voie à des mesures très précises qui participeront à la détermination du rapport mp/me.

The proton-electron mass ratio, mp/me, is one of the fundamental constants. Its experimental determination is necessary to test the predictions of the Standard Model. To do this, we are interested in a two-photon rovibrational transition without Doppler effect in the H2+ molecule, at 9.166 µm. The spectroscopy of this molecule is performed using a quantum cascade laser locked to a CO2 laser, which is itself referenced to the Système International using a frequency comb whose repetition rate is locked to an ultra-stable optical signal generated at the Paris Observatory and delivered by the REFIMEVE fiber network. This laser system was first used to perform saturated absorption spectroscopy of a rovibrational transition of formic acid in a Fabry-Pérot cavity. An in-depth systematic study has made it possible to develop a spectral profile model that takes into account the effects of deformation related to pressure, saturation, modulation, and hyperfine structure. The central frequency of the transition is measured to within 10 Hz. The collision broadening coefficients for formic acid, dinitrogen, and air have been determined. The study of the two-photon transition of H2+ has begun. The sample used is a cloud of H2+ ions trapped and sympathetically cooled by laser-cooled Be+ ions. Observation of the evolution of the ion cloud image during the spectroscopy sequence has made it possible to detect the first signals of two-photon vibrational transition in H2+, paving the way for highly accurate measurements that will contribute to determining the mp/me ratio.