【摘要】：近年來,冷分子制備、操控及其應用已成為了目前國際上原子分子與光學物理(AMO)、精密測量物理和量子信息科學等領域中的前沿研究熱點之一。由于分子具有非常豐富的內態(tài)結構,可以用來更加精確地測量基本物理常數(shù),研究偶極偶極相互作用,進行量子信息處理以及量子計算等,因而引起科學家們越來越多的關注。但是也是因為其內態(tài)結構的復雜性,使得分子的激光冷卻困難重重。隨著一些特殊分子激光冷卻的成功實現(xiàn),使得冷分子的應用前景更加明朗,為冷分子的研究開啟了新的大門。本文主要研究分子的靜電囚禁,分子激光冷卻相關參數(shù)的理論計算以及分子斯塔克光譜在靜電場測量方面的應用。首先,我們提出了一種光學通道完全開放的冷分子靜電囚禁新方案,并對其電場分布進行了相關的理論計算。冷分子在靜電阱中的動力學過程的模擬結果顯示,當ND3分子的初始中心速度為8 m/s,裝載時間為1.24 ms時,我們可以得到-14%的裝載效率,裝載到勢阱中冷分子的3D溫度約為20 mK.由于該勢阱的光學通道是完全開放的,我們可以沿著三個相互正交的方向同時打光,因此我們的靜電阱還可以用來研究分子的光學勢蒸發(fā)冷卻,甚至是研究分子的電光冷卻與囚禁。接著,我們提出了另外一種冷分子靜電阱,一方面解決了上述勢阱在x方向上阱深太淺的問題,另一方面也解決了上述勢阱需要額外增加電極進行分子裝載的問題。由于該勢阱的結構非常簡單,具有對稱性,因此我們可以通過成倍的改變電極上的電壓,來實現(xiàn)具有不同中心速度的冷分子的有效裝載。模擬結果顯示,當U1=3.75 kV, U2=25.0 kV時,中心速度為10 m/s的ND3分子的裝載效率可以達到～67%；而當U1=7.50 kV, U2=50.0 kV時,中心速度為14 m/s的分子的裝載效率高達～76%。因為勢阱的體積很大,約為3.6 cm3,所以我們還可以在該勢阱中研究分子的絕熱冷卻與靜電勢蒸發(fā)冷卻效應,通過緩慢地降低電極上的囚禁電壓可以將分子從23.3 mK冷卻到1.47 mK。然后,我們從理論上對分子激光冷卻的一些相關的參數(shù)進行了計算,包括一些雙原子分子的振動能級結構,振動躍遷強度即Franck-Condon因子,以及分子的轉動能級,精細結構和超精細結構的計算,給出了一系列有可能用來進行激光冷卻的候選分子。另外,我們還對分子在外場作用下的能級移動,包括斯塔克移動和塞曼移動進行了理論計算,并定量地計算了靜電場中分子的宇稱與電場的變化關系。研究發(fā)現(xiàn)：隨著電場的增大,分子宇稱的混合程度越來越大,當電場足夠大時,宇稱完全混合,宇稱選擇定則不再約束分子的躍遷。最后,我們提出了一種采用分子的斯塔克光譜來測量電場強度的新方法。首先對CS分子在電場的作用下,Q支峰值與P支峰值的比值隨著電場的變化進行了理論計算,發(fā)現(xiàn)與文獻中的實驗結果非常吻合,證明了計算的正確性,并得到了比文獻中更好的理論結果。接著對ZrO分子的斯塔克光譜進行了計算,在激發(fā)不同的R支躍遷的情況下,得到了Q支光譜與P支光譜的比值隨著電場的變化,發(fā)現(xiàn)ZrO分子要比CS分子對電場更為敏感。另外,還提出了利用Q支光譜強度和光子計數(shù)技術實現(xiàn)微弱電場高靈敏測量的新方法,能夠測量到的電場極限約為7μV／cm,比文獻中報道的實驗結果提高了6個數(shù)量級。
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O431.2;O561.3
【圖文】：

逡逑均不加電壓，那么探測到的電離信號如圖１－２邋（ａ）所示；而當電極上所加電壓如逡逑圖１－１中的裝載電壓時，探測到的信號如圖１－２邋（ｂ）所示；當電極上所加電壓為逡逑裝載和囚禁電壓時，探測信號如圖１－２邋（ｃ）所示。從圖中可以看出，在裝載電壓逡逑切換為囚禁電壓后出現(xiàn)了一個很明顯的峰，這說明分子被囚禁在勢講中，被囚禁逡逑的分子的體積為０．２５邋ｃｍ３，分子數(shù)密度為１０６ｃｍ＿３，囚禁時間為０．２４邋ｓ。隨后幾年逡逑中，他們又分別將０Ｈ邋［４７］，亞穩(wěn)態(tài)的ＣＯ邋［７８］及ＮＨ邋［７９］囚禁在類似的勢講中。逡逑Ｌｏａｄｉｎｇ邐Ｔｒａｐｐｉｎｇ逡逑＞置）Ｋ逡逑１０邋ｋＶ邋１２邋ｋＶ邋－４００邋Ｖ邐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邋邐NBＬ邐邐—．邋⑴邋０邋邐邐邐逡逑＂？？３邋０邋３邋６邐＂＂０邋＂－３邋０邋３邋０逡逑Ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋（ｍｍ）邐Ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋（ｍｍ）逡逑圖１－１靜電勢講的裝置圖。裝載（左圖）和囚禁（右圖）時所對應的電壓值，以及ＮＤ３分逡逑子｜？／尺〉＝｜１１〉的斯塔克勢分布圖。逡逑２００６年，Ｍｅｉｊｅｒ小組又提出了一種多樣化的靜電勢阱［８０］，由兩個環(huán)形電逡逑極和兩個帽狀電極組成

的非絕熱躍遷，即原來處于囚禁態(tài)的原子在磁場為０的位置躍遷到非囚禁態(tài)。類逡逑似于磁講的解決辦法，Ｍｅｉｊｅｒ小組利用一個ＩＰ－型靜電講對由非絕熱躍遷引起的逡逑分子的丟失進行了研究［８３］。實驗裝置如圖１－４所示，靜電講由六根圓柱形電極逡逑組成，外面的四根電極構成了一個四極電場，中心軸對稱的兩根電極可以產生一逡逑個外加的偶極場。當這兩個電極上加相同的電壓時，勢講中心的電場為０；當兩逡逑個電極上的電壓極性相反時，就會產生中心不為０的電場，從而阻止非絕熱躍遷逡逑的發(fā)生。通過比較這兩種情況，就可以觀察甚至量化由非絕熱躍遷導致的分子丟逡逑失。逡逑（ａ）邐（ｋｉｅｃｔｉｏｉｉ邋ｌａｓｅｒ逡逑（ｂ）邐．．．邐（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。邐０邋——＞邐１——Ｉ邐邐邐逡逑＾邐－３邐？】邋０邋Ｉ邋２邋３逡逑＜ｆｉ５ｔａｊ＾ｃｅ邋ｆｍｍ）逡逑圖１－４邋（ａ）實驗裝置圖，（ｂ）邋ＩＰ型靜電講裝置圖，（ｃ）虛線和實線分別表示ＮＨｓ和ＮＤｊ在逡逑勢講屮的斯塔克勢能。逡逑６逡逑

這樣經過減速器減速的ＯＨ分子就可以被裝載到磁講當中，磁講中分子數(shù)逡逑密度為３ｘｌ０３ｃｍ＿３，溫度約為３０邋ｍＫ。后來，他們又將ＯＨ分子囚禁在永久磁講逡逑中［９０］，與電磁講相比，永久磁講的結構更加簡單，如圖１－８所示，并且分子數(shù)逡逑密度也提高到１０６ｃｎｒ３。同時，由于磁講具有開放的講結構，因此他們還研究了逡逑０Ｈ分子與速度可調節(jié)的Ｈｅ原子和Ｄ２分子的超聲束之間的碰撞問題，并且證實逡逑了在碰撞粒子之間的確存在量子隧穿散射和共振能量轉移。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邋廣邋，，，，�。停希簟ⅰ�、、逡逑丨逡逑Ｉ逡逑Ｉ逡逑Ｉ逡逑ｔ逡逑圖１－９光學偶極講方案圖。逡逑以上討論了利用電場和磁場對中性分子的囚禁方案，接下來我們來討論光場逡逑對中性分子的囚禁。Ｔ．Ｔａｋｅｋｏｓｈｉ等人首次利用光講來囚禁Ｃｓ２分子［９１］，他們逡逑利用磁光講將ＣＳ原子通過光締合作用制備成處于基態(tài)的ＣＳ２分子，然后將其裝逡逑載到光學偶極講中。該偶極拼是由一束經過聚焦的Ｃ０２激光束的束腰與磁光講逡逑重疊構成的

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