【摘要】：近年來(lái),冷分子制備、操控及其應(yīng)用已成為了目前國(guó)際上原子分子與光學(xué)物理(AMO)、精密測(cè)量物理和量子信息科學(xué)等領(lǐng)域中的前沿研究熱點(diǎn)之一。由于分子具有非常豐富的內(nèi)態(tài)結(jié)構(gòu),可以用來(lái)更加精確地測(cè)量基本物理常數(shù),研究偶極偶極相互作用,進(jìn)行量子信息處理以及量子計(jì)算等,因而引起科學(xué)家們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。但是也是因?yàn)槠鋬?nèi)態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)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(shí)現(xiàn),使得冷分子的應(yīng)用前景更加明朗,為冷分子的研究開(kāi)啟了新的大門(mén)。本文主要研究分子的靜電囚禁,分子激光冷卻相關(guān)參數(shù)的理論計(jì)算以及分子斯塔克光譜在靜電場(chǎng)測(cè)量方面的應(yīng)用。首先,我們提出了一種光學(xué)通道完全開(kāi)放的冷分子靜電囚禁新方案,并對(duì)其電場(chǎng)分布進(jìn)行了相關(guān)的理論計(jì)算。冷分子在靜電阱中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的模擬結(jié)果顯示,當(dāng)ND3分子的初始中心速度為8 m/s,裝載時(shí)間為1.24 ms時(shí),我們可以得到-14%的裝載效率,裝載到勢(shì)阱中冷分子的3D溫度約為20 mK.由于該勢(shì)阱的光學(xué)通道是完全開(kāi)放的,我們可以沿著三個(gè)相互正交的方向同時(shí)打光,因此我們的靜電阱還可以用來(lái)研究分子的光學(xué)勢(shì)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(shì)阱在x方向上阱深太淺的問(wèn)題,另一方面也解決了上述勢(shì)阱需要額外增加電極進(jìn)行分子裝載的問(wèn)題。由于該勢(shì)阱的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,具有對(duì)稱性,因此我們可以通過(guò)成倍的改變電極上的電壓,來(lái)實(shí)現(xiàn)具有不同中心速度的冷分子的有效裝載。模擬結(jié)果顯示,當(dāng)U1=3.75 kV, U2=25.0 kV時(shí),中心速度為10 m/s的ND3分子的裝載效率可以達(dá)到～67%；而當(dāng)U1=7.50 kV, U2=50.0 kV時(shí),中心速度為14 m/s的分子的裝載效率高達(dá)～76%。因?yàn)閯?shì)阱的體積很大,約為3.6 cm3,所以我們還可以在該勢(shì)阱中研究分子的絕熱冷卻與靜電勢(shì)蒸發(fā)冷卻效應(yīng),通過(guò)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(duì)分子激光冷卻的一些相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,包括一些雙原子分子的振動(dòng)能級(jí)結(jié)構(gòu),振動(dòng)躍遷強(qiáng)度即Franck-Condon因子,以及分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí),精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算,給出了一系列有可能用來(lái)進(jìn)行激光冷卻的候選分子。另外,我們還對(duì)分子在外場(chǎng)作用下的能級(jí)移動(dòng),包括斯塔克移動(dòng)和塞曼移動(dòng)進(jìn)行了理論計(jì)算,并定量地計(jì)算了靜電場(chǎng)中分子的宇稱與電場(chǎng)的變化關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：隨著電場(chǎng)的增大,分子宇稱的混合程度越來(lái)越大,當(dāng)電場(chǎng)足夠大時(shí),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(lái)測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度的新方法。首先對(duì)CS分子在電場(chǎng)的作用下,Q支峰值與P支峰值的比值隨著電場(chǎng)的變化進(jìn)行了理論計(jì)算,發(fā)現(xiàn)與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合,證明了計(jì)算的正確性,并得到了比文獻(xiàn)中更好的理論結(jié)果。接著對(duì)ZrO分子的斯塔克光譜進(jìn)行了計(jì)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(chǎng)的變化,發(fā)現(xiàn)ZrO分子要比CS分子對(duì)電場(chǎng)更為敏感。另外,還提出了利用Q支光譜強(qiáng)度和光子計(jì)數(shù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)微弱電場(chǎng)高靈敏測(cè)量的新方法,能夠測(cè)量到的電場(chǎng)極限約為7μV／cm,比文獻(xiàn)中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：O431.2;O561.3
【圖文】：

逡逑均不加電壓，那么探測(cè)到的電離信號(hào)如圖１－２邋（ａ）所示；而當(dāng)電極上所加電壓如逡逑圖１－１中的裝載電壓時(shí)，探測(cè)到的信號(hào)如圖１－２邋（ｂ）所示；當(dāng)電極上所加電壓為逡逑裝載和囚禁電壓時(shí)，探測(cè)信號(hào)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(gè)很明顯的峰，這說(shuō)明分子被囚禁在勢(shì)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(shí)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(lèi)似的勢(shì)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(shì)講的裝置圖。裝載（左圖）和囚禁（右圖）時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值，以及ＮＤ３分逡逑子｜？／尺〉＝｜１１〉的斯塔克勢(shì)分布圖。逡逑２００６年，Ｍｅｉｊｅｒ小組又提出了一種多樣化的靜電勢(shì)阱［８０］，由兩個(gè)環(huán)形電逡逑極和兩個(gè)帽狀電極組成

的非絕熱躍遷，即原來(lái)處于囚禁態(tài)的原子在磁場(chǎng)為０的位置躍遷到非囚禁態(tài)。類(lèi)逡逑似于磁講的解決辦法，Ｍｅｉｊｅｒ小組利用一個(gè)ＩＰ－型靜電講對(duì)由非絕熱躍遷引起的逡逑分子的丟失進(jìn)行了研究［８３］。實(shí)驗(yàn)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(gòu)成了一個(gè)四極電場(chǎng)，中心軸對(duì)稱的兩根電極可以產(chǎn)生一逡逑個(gè)外加的偶極場(chǎng)。當(dāng)這兩個(gè)電極上加相同的電壓時(shí)，勢(shì)講中心的電場(chǎng)為０；當(dāng)兩逡逑個(gè)電極上的電壓極性相反時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生中心不為０的電場(chǎng)，從而阻止非絕熱躍遷逡逑的發(fā)生。通過(guò)比較這兩種情況，就可以觀察甚至量化由非絕熱躍遷導(dǎo)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(shí)驗(yàn)裝置圖，（ｂ）邋ＩＰ型靜電講裝置圖，（ｃ）虛線和實(shí)線分別表示ＮＨｓ和ＮＤｊ在逡逑勢(shì)講屮的斯塔克勢(shì)能。逡逑６逡逑

這樣經(jīng)過(guò)減速器減速的ＯＨ分子就可以被裝載到磁講當(dāng)中，磁講中分子數(shù)逡逑密度為３ｘｌ０３ｃｍ＿３，溫度約為３０邋ｍＫ。后來(lái)，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(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，如圖１－８所示，并且分子數(shù)逡逑密度也提高到１０６ｃｎｒ３。同時(shí)，由于磁講具有開(kāi)放的講結(jié)構(gòu)，因此他們還研究了逡逑０Ｈ分子與速度可調(diào)節(jié)的Ｈｅ原子和Ｄ２分子的超聲束之間的碰撞問(wèn)題，并且證實(shí)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(zhuǎn)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�、、、、逡逑丨逡逑Ｉ逡逑Ｉ逡逑Ｉ逡逑ｔ逡逑圖１－９光學(xué)偶極講方案圖。逡逑以上討論了利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)中性分子的囚禁方案，接下來(lái)我們來(lái)討論光場(chǎng)逡逑對(duì)中性分子的囚禁。Ｔ．Ｔａｋｅｋｏｓｈｉ等人首次利用光講來(lái)囚禁Ｃｓ２分子［９１］，他們逡逑利用磁光講將ＣＳ原子通過(guò)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(xué)偶極講中。該偶極拼是由一束經(jīng)過(guò)聚焦的Ｃ０２激光束的束腰與磁光講逡逑重疊構(gòu)成的

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