新颖高效Stark减速器与冷分子静电囚禁的理论研究

发布时间：2017-12-30 03:23

  本文关键词：新颖高效Stark减速器与冷分子静电囚禁的理论研究　出处：《华东师范大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：经过近二十年的发展,冷分子作为一门新兴的学科受到了越来越多科学工作者的关注,这基于其在高分辨光谱和基本物理常数的精密测量,冷化学和冷碰撞,以及量子计算等诸多领域中的潜在应用。而如何高效制备冷分子束源是许多实验的基础。到目前为止,像静电Stark减速,Zeeman减速,缓冲气体冷却,以及最新的分子激光冷却等等技术在实验上已越来越成熟,而本文主要致力于利用静电Stark减速技术来制备冷分子,以及将制备的冷分子囚禁于芯片表面静电阱中的研究。首先,我们提出了一种简单而又高效的静电Stark减速新方案。该方案在传统减速器的基础上,增加了横向的聚束作用。我们计算了空间的电场分布,并通过对|J,KM=|1,-1)态ND3分子的动力学过程进行模拟,发现当106个初始320m/s的ND3分子经过108级,长度为486mm的减速器后,末速度被减到了6m/s,在该低速下我们获得的冷分子数目为4.5×103。接着通过与传统减速器s=1模式,s=3模式和travelling-wave减速器方案的详细对比,我们发现：对于传统减速器s=1模式,我们方案获得的冷分子数目是它的7-10倍；而对于传统减速器s=3模式,在低速时,我们方案获得的冷分子数目比它大了两个数量级；即使与公认完美的travelling-wave减速器方案对比,我们方案也不逊色。对于轻分子(如ND3分子)的成功减速,激励了我们不仅仅满足于此,我们将目光投向了质量更大的重原子分子(如PbF分子)或者电偶极矩更小的轻分子(如NO分子)。尤其是PbF分子,它在电子电偶极矩的精密测量中扮演着重要的角色。因此,我们首先对其的Stark shift和不同转动态下布居数分布进行了计算,选择适合减速的弱场搜寻态J=5/2和J=7/2进行模拟,利用我们改进后的减速器,得到了两个态下的减速效率分别为1.5×104和4.5×104。为了进一步聚焦和冷却PbF分子,我们还进行了bunch操作,得到了纵向速度分布宽度为0.69m/s,相应的温度为2.35mK的冷分子束。最后,我们提出的减速器还能实现电偶极矩极小的NO分子的有效减速。当相位角为540,初始速度为315m/s的NO分子经过1040级减速器后,末速度被减到了28m/s。尤其是在低速下,我们的减速器具有更好的横向稳定性。这与传统减速器相比,我们的方案能获得更多的冷分子。接着,我们又提出了一种新颖的芯片表面静电Stark减速器方案,该方案在Meijer小组芯片表面减速器方案的基础上增加了四极杆导引功能,利用有限元软件,我们计算了减速器内的两个横向的势阱深度以及纵向的减速深度。由于四极杆较强的横向导引作用,我们得到了x方向的阱深可达2K以上,即使对于较弱的y方向上的阱深也有400mK左右,而在减速电极电压为+8kV的条件下,纵向的减速深度为0.17cm-1。然后我们利用3D-Monte-Carlo方法,模拟了|J,KM=|1,-1)态的ND3分子的动力学过程,初始106个分子经过400级电极减速后,末速度从320m/s减到了8m/s,相应的减速效率为0.18%。最后,我们还提出了一种芯片表面静电囚禁方案,用于囚禁Stark减速器制备的冷分子。我们首先计算了芯片表面空间的电场分布和ND3分子的有效囚禁势,然后分析了几何参数对囚禁中心高度和有效囚禁势的影响。接着我们以|J,KM=|1,-1)态的ND3为例,利用3D-Monte-Carlo方法,模拟了其装载和囚禁的动力学过程,得到了最优的装载效率和冷分子在囚禁阱中的初末速度分布情况。研究表明：当ND3分子的初始纵向速度为12.5m/s,装载时间loading为0.829ms,其最大的装载效率可达11.5%,相应阱中被囚禁的冷分子温度为26.4mK。另外,我们还简单模拟了一种由U型电极所构成的表面静电阱的方案,验证了其可行性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O431.2

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本文编号：1353133