分子冷却与囚禁新方案及斯塔克光谱应用的理论研究

发布时间：2020-08-09 00:11

【摘要】：近年来,冷分子制备、操控及其应用已成为了目前国际上原子分子与光学物理(AMO)、精密测量物理和量子信息科学等领域中的前沿研究热点之一。由于分子具有非常丰富的内态结构,可以用来更加精确地测量基本物理常数,研究偶极偶极相互作用,进行量子信息处理以及量子计算等,因而引起科学家们越来越多的关注。但是也是因为其内态结构的复杂性,使得分子的激光冷却困难重重。随着一些特殊分子激光冷却的成功实现,使得冷分子的应用前景更加明朗,为冷分子的研究开启了新的大门。本文主要研究分子的静电囚禁,分子激光冷却相关参数的理论计算以及分子斯塔克光谱在静电场测量方面的应用。首先,我们提出了一种光学通道完全开放的冷分子静电囚禁新方案,并对其电场分布进行了相关的理论计算。冷分子在静电阱中的动力学过程的模拟结果显示,当ND3分子的初始中心速度为8 m/s,装载时间为1.24 ms时,我们可以得到-14%的装载效率,装载到势阱中冷分子的3D温度约为20 mK.由于该势阱的光学通道是完全开放的,我们可以沿着三个相互正交的方向同时打光,因此我们的静电阱还可以用来研究分子的光学势蒸发冷却,甚至是研究分子的电光冷却与囚禁。接着,我们提出了另外一种冷分子静电阱,一方面解决了上述势阱在x方向上阱深太浅的问题,另一方面也解决了上述势阱需要额外增加电极进行分子装载的问题。由于该势阱的结构非常简单,具有对称性,因此我们可以通过成倍的改变电极上的电压,来实现具有不同中心速度的冷分子的有效装载。模拟结果显示,当U1=3.75 kV, U2=25.0 kV时,中心速度为10 m/s的ND3分子的装载效率可以达到～67%；而当U1=7.50 kV, U2=50.0 kV时,中心速度为14 m/s的分子的装载效率高达～76%。因为势阱的体积很大,约为3.6 cm3,所以我们还可以在该势阱中研究分子的绝热冷却与静电势蒸发冷却效应,通过缓慢地降低电极上的囚禁电压可以将分子从23.3 mK冷却到1.47 mK。然后,我们从理论上对分子激光冷却的一些相关的参数进行了计算,包括一些双原子分子的振动能级结构,振动跃迁强度即Franck-Condon因子,以及分子的转动能级,精细结构和超精细结构的计算,给出了一系列有可能用来进行激光冷却的候选分子。另外,我们还对分子在外场作用下的能级移动,包括斯塔克移动和塞曼移动进行了理论计算,并定量地计算了静电场中分子的宇称与电场的变化关系。研究发现：随着电场的增大,分子宇称的混合程度越来越大,当电场足够大时,宇称完全混合,宇称选择定则不再约束分子的跃迁。最后,我们提出了一种采用分子的斯塔克光谱来测量电场强度的新方法。首先对CS分子在电场的作用下,Q支峰值与P支峰值的比值随着电场的变化进行了理论计算,发现与文献中的实验结果非常吻合,证明了计算的正确性,并得到了比文献中更好的理论结果。接着对ZrO分子的斯塔克光谱进行了计算,在激发不同的R支跃迁的情况下,得到了Q支光谱与P支光谱的比值随着电场的变化,发现ZrO分子要比CS分子对电场更为敏感。另外,还提出了利用Q支光谱强度和光子计数技术实现微弱电场高灵敏测量的新方法,能够测量到的电场极限约为7μV／cm,比文献中报道的实验结果提高了6个数量级。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O431.2;O561.3
【图文】：

装置图,静电势,装置图

逡逑均不加电压，那么探测到的电离信号如图１－２邋（ａ）所示；而当电极上所加电压如逡逑图１－１中的装载电压时，探测到的信号如图１－２邋（ｂ）所示；当电极上所加电压为逡逑装载和囚禁电压时，探测信号如图１－２邋（ｃ）所示。从图中可以看出，在装载电压逡逑切换为囚禁电压后出现了一个很明显的峰，这说明分子被囚禁在势讲中，被囚禁逡逑的分子的体积为０．２５邋ｃｍ３，分子数密度为１０６ｃｍ＿３，囚禁时间为０．２４邋ｓ。随后几年逡逑中，他们又分别将０Ｈ邋［４７］，亚稳态的ＣＯ邋［７８］及ＮＨ邋［７９］囚禁在类似的势讲中。逡逑Ｌｏａｄｉｎｇ逦Ｔｒａｐｐｉｎｇ逡逑＞置）Ｋ逡逑１０邋ｋＶ邋１２邋ｋＶ邋－４００邋Ｖ逦ＯＶ邋１２邋ｋＶ邋－４００邋Ｖ逡逑ｆ邋Ａ邋ｒ邋叫逡逑Ｉ邋０２邋＼邋１邋０２邋Ａ邋Ａ逡逑卜邋Ｊ邋｜。１邋＼逡逑山邋Ｑ邋逦NBＬ逦逦—．邋⑴邋０邋逦逦逦逡逑＂？？３邋０邋３邋６逦＂＂０邋＂－３邋０邋３邋０逡逑Ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋（ｍｍ）逦Ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋（ｍｍ）逡逑图１－１静电势讲的装置图。装载（左图）和囚禁（右图）时所对应的电压值，以及ＮＤ３分逡逑子｜？／尺〉＝｜１１〉的斯塔克势分布图。逡逑２００６年，Ｍｅｉｊｅｒ小组又提出了一种多样化的静电势阱［８０］，由两个环形电逡逑极和两个帽状电极组成

装置图,静电,装置图,势能

的非绝热跃迁，即原来处于囚禁态的原子在磁场为０的位置跃迁到非囚禁态。类逡逑似于磁讲的解决办法，Ｍｅｉｊｅｒ小组利用一个ＩＰ－型静电讲对由非绝热跃迁引起的逡逑分子的丢失进行了研究［８３］。实验装置如图１－４所示，静电讲由六根圆柱形电极逡逑组成，外面的四根电极构成了一个四极电场，中心轴对称的两根电极可以产生一逡逑个外加的偶极场。当这两个电极上加相同的电压时，势讲中心的电场为０；当两逡逑个电极上的电压极性相反时，就会产生中心不为０的电场，从而阻止非绝热跃迁逡逑的发生。通过比较这两种情况，就可以观察甚至量化由非绝热跃迁导致的分子丢逡逑失。逡逑（ａ）逦（ｋｉｅｃｔｉｏｉｉ邋ｌａｓｅｒ逡逑（ｂ）逦．．．逦（ｃ）邋ｒｒ—３３逡逑＾２邋＇邋＼邋…Ｎｉｌ，邋／邋？逡逑１逡逑ｈｗ邋ｆｒ．逡逑Ｉｒ邋ｒ＾－邋％Ｊ／邋．逡逑千邋Ｖ。逦０邋——＞逦１——Ｉ逦逦逦逡逑＾逦－３逦？】邋０邋Ｉ邋２邋３逡逑＜ｆｉ５ｔａｊ＾ｃｅ邋ｆｍｍ）逡逑图１－４邋（ａ）实验装置图，（ｂ）邋ＩＰ型静电讲装置图，（ｃ）虚线和实线分别表示ＮＨｓ和ＮＤｊ在逡逑势讲屮的斯塔克势能。逡逑６逡逑

偶极,方案图,光学

这样经过减速器减速的ＯＨ分子就可以被装载到磁讲当中，磁讲中分子数逡逑密度为３ｘｌ０３ｃｍ＿３，温度约为３０邋ｍＫ。后来，他们又将ＯＨ分子囚禁在永久磁讲逡逑中［９０］，与电磁讲相比，永久磁讲的结构更加简单，如图１－８所示，并且分子数逡逑密度也提高到１０６ｃｎｒ３。同时，由于磁讲具有开放的讲结构，因此他们还研究了逡逑０Ｈ分子与速度可调节的Ｈｅ原子和Ｄ２分子的超声束之间的碰撞问题，并且证实逡逑了在碰撞粒子之间的确存在量子隧穿散射和共振能量转移。逡逑１．２．３冷分子的激光囚禁逡逑Ｐｕｓｈｉｎｇ逡逑Ｂｅａｍ邋７逡逑＼邋灰邋Ｃｈａｎｎｅｌｔｒｏｎ逡逑Ｐｈｏｔｏｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ邋＼邋＼邋Ｉ逡逑、、、ｉ邋ｚ逡逑ａｎｄ邋一＊—■，琴、ＩＩＩ一“逡逑Ｄｅｐｕｍｐｅｒ邋广邋，，，，！ＭＯｔ、、、、逡逑丨逡逑Ｉ逡逑Ｉ逡逑Ｉ逡逑ｔ逡逑图１－９光学偶极讲方案图。逡逑以上讨论了利用电场和磁场对中性分子的囚禁方案，接下来我们来讨论光场逡逑对中性分子的囚禁。Ｔ．Ｔａｋｅｋｏｓｈｉ等人首次利用光讲来囚禁Ｃｓ２分子［９１］，他们逡逑利用磁光讲将ＣＳ原子通过光缔合作用制备成处于基态的ＣＳ２分子，然后将其装逡逑载到光学偶极讲中。该偶极拼是由一束经过聚焦的Ｃ０２激光束的束腰与磁光讲逡逑重叠构成的

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