MOLÉCULAIRES JETS & FAISCEAUX

Applications

Malgré leurs intensités, densités et énergies relativement faibles, les faisceaux moléculaires thermiques restent toujours très utiles dans la recherche. Ils servent notamment comme sources de référence, car ils sont les seuls à être bien définis théoriquement. Ils sont aussi utilisés dans les sources de gaz spéciaux comme les vapeurs de métaux réfractaires, les gaz corrosifs et, d'une façon générale, tous les gaz non disponibles, ou dangereux, ou trop coûteux, à haute pression.

Les faisceaux thermiques ont trouvé deux applications industrielles très importantes. La première est apparue dans les horloges atomiques à la suite du développement, depuis les années 1940, des étalons de fréquence des transitions de structure fine des atomes d'hydrogène et d'alcalins (C_s, R_b) principalement. Le nombre d'horloges atomiques en service dans les systèmes modernes de télécommunication, de navigation et de localisation dépasse probablement dix mille.

La seconde application industrielle des faisceaux thermiques est l' épitaxie par faisceau moléculaire, qui a fait des progrès considérables depuis les années 1960. Cette technique désignée couramment par M.B.E. (molecular beam epitaxy en anglais) a transformé la fabrication des composants électroniques, notamment les couches minces de semi-conducteurs, métaux ou diélectriques. Elle permet de régler d'une façon très fine les flux et les énergies thermiques des faisceaux (Si, éléments des groupes III-V) ainsi que la température du substrat, et de contrôler in situ, dans une enceinte à ultravide, la croissance épitaxique réalisée lentement par empilement d'atomes, ou molécules, que l'on peut suivre couche par couche.

La technologie a beaucoup apporté au développement des jets et faisceaux supersoniques, mais sans y trouver en retour, jusqu'à présent, des retombées vers de véritables applications industrielles. Il existe cependant une méthode d'analyse des gaz par extraction rapide sous forme de jet et faisceau supersonique, et couplage à un spectromètre de masse. Finalement, c'est dans la recherche fondamentale que l'on trouve en fonctionnement des centaines d'appareils, ou plus, du type supersonique en régime continu ou impulsionnel. Seuls les systèmes à zone de silence ( et 2) développés en France et les vannes pulsées sont commercialisés actuellement.

Un faisceau moléculaire supersonique, reflétant les propriétés du jet dont il est extrait, permet l'étude indirecte de ce jet avec ses divers effets de relaxation translationnelle ou interne, de condensation, de séparation des masses... Les jets supersoniques élargissent considérablement les domaines d'applications des faisceaux thermiques grâce à leurs caractéristiques bien meilleures et à des possibilités supplémentaires résultant de leurs propriétés spécifiques. Par exemple, avec un faisceau d'hélium, on a un monochromateur (0,5 p. 100 de résolution) de longueur d'onde λ = h/p ∼ 0,1 nm variable avec la température de la tuyère, qui est très intéressant pour l'interaction gaz-surface. Avec une résolution en énergie de un milliélectronvolt, ce même appareil est très puissant en physique atomique et moléculaire pour déterminer les sections efficaces de collisions élastiques et, par suite, les potentiels intermoléculaires, ou encore pour résoudre des structures même rotationnelles produites par des collisions inélastiques. De plus, l'ultrarefroidissement obtenu surtout par ensemencement dans des jets d'hélium (T_rot ≃ de 0,1 à 1 K) permet d'éliminer les bandes chaudes de rotation et, par suite, de simplifier et même de transformer la spectroscopie optique des molécules. Cette méthode née en France est maintenant devenue universelle. De plus, elle rend possible une excitation sélective des variétés isotopiques [...]