分子激光冷却、磁光囚禁与电子电偶极矩测量的理论研究

发布时间：2018-01-27 12:39

本文关键词： 冷分子 Stark效应 Zeeman效应有效哈密顿量激光冷却磁光囚禁电子电偶极矩测量　出处：《华东师范大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近三十年来冷原子技术飞速发展,取得了一系列重大成就,也使得相关领域发生了革命性的改变。然而分子具有更丰富的内态结构,更具广泛的应用价值,例如异核双原子分子具有永久电偶极矩,它可以产生长程可调谐的,各向异性的偶极相互作用,再结合超冷温度下对分子自由度的精确操控,使得冷分子成为量子模拟和量子计算的理想载体;超冷分子气体也为化学反应动力学的研究提供了独特的环境,同时还可以用该系综来进行各种精密测量实验,探索超越标准模型的新物理等。然而由于分子的自由度十分复杂,冷原子技术无法简单有效地拓展到分子体系,于是科学家们发展了许多其它制备冷分子的方法,从绝热膨胀的超声分子束,到缓冲气体冷却的慢分子束;从静电Stark(静磁Zeeman)减速器到最近的激光冷却与磁光囚禁技术,每一步的技术革新都如此困难又富有挑战性。本文首先聚焦于分子的静电操控,我们利用比微扰理论更准确的矩阵对角化方法,对各种对称性分子转动态的Stark效应进行详细地理论研究,同时总结并解释了一些非常有价值的规律,例如线性分子没有一阶Stark效应;对称陀螺分子具有很强的一阶效应;分子的转动基态都是强场搜寻态;重原子分子的弱场搜寻态很容易变成强场搜寻态;静电场作用下磁量子数绝对值|MJ|相同的态仍处于简并态等,这些理论研究为我们小组的静电操控实验做了充分的理论准备。另外我们还利用有效哈密顿量方法,分析了双原子分子常见的洪特情况(a)和(b),研究了它们的转动态,精细结构和超精细结构下的Stark和Zeeman效应。而这些方法具有通用性,对同类的分子仍然适用,为后续的实验工作做好理论铺垫。其次我们提出了一个新的激光冷却的候选分子——24Mg19F自由基,并分析其实验可行性。首先确认其激发态寿命和波长,用三种方法计算A态到X态的夫兰克-康登因子和振动分支比。再利用有效哈密顿量方法详细计算了 X态的超精细结构,我们发现用两束激光和它们的一级边带就可以实现MgF分子有效的激光冷却。同时研究了 MgF自由基超精细结构角动量的相互耦合和磁属性,为接下来的磁光囚禁做好准备。我们还对另一个分子138Ba19F激光冷却的可行性进行了分析,它的相关波长在半导体激光器波段,再次用三种方法确认了它高度对角化的振动分支比,发现四束激光才可能实现它有效的减速和冷却。我们还估算了它亚稳态A'的真实组分和能级寿命,可以用准确计算的微波频率耦合前三个转动态的办法来解决布居数泄露(A→A')问题。还有它的A态寿命较长(56ns),很容易实现激光扫频的多普勒冷却。接着,我们建立一个新的三维磁光阱模型,利用速率方程首先对原子磁光囚禁进行详细地动力学研究。主要分析上下能级的角动量,g因子和激光偏振组态对回复力的影响,得到了一些有用的结论。再将上述模型和结论拓展到MgF体系中,通过计算我们发现由于MgF自由基的上能级g因子太小,它在磁光阱中受到的囚禁力比原子小三个量级,几乎不能被磁光囚禁。然后我们又研究了它在磁场和激光偏振同步调制的射频磁光阱中的动力学,发现当调制频率为几十兆赫兹时,MgF分子受到的囚禁加速度几乎与原子Ⅱ型磁光阱中的加速度相当,因此对于本组实验的MgF分子,射频磁光阱是个理想的选择。最后聚焦于冷分子的重要应用,我们提出了利用208Pb19F自由基测量电子电偶极矩的想法。首先讨论基于PbF分子测量电子电偶极矩的基本原理;接着利用有效哈密顿量方法研究了它精细和超精细结构的外场效应,给出分子内部有效场和等效g因子随外电场的变化关系。发现在10kV/cm的外电场下,分子内部有很强的宇称和时间反演破缺效应,其有效电场强度为32.36GV/cm,而测量态J为1/2的Ω双分裂超精细结构的等效g因子分别为-0.0221和0.0621,是一个很好的对磁场不敏感的体系。我们进一步给出了利用Ramsey分离振荡场干涉仪测量电子电偶极矩的实验方案,并尝试评估了一些测量误差。
[Abstract]:In recent 30 years , the rapid development of cold atom technology has made a series of major achievements and has made revolutionary changes in the relevant fields . However , the molecular structure is more extensive , and it is very difficult and challenging . In this paper , we establish a new model of 3D magneto - optical traps , and use the speed - rate equation to study the atomic magneto - optical trapping . The effects of angular momentum , g - factor and laser polarization configuration on the recovery force are analyzed .

【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O561

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