超冷分子实验方法探究

超冷分子实验方法探究

朱德生

【摘要】将分子的冷却分为直接冷却和间接冷却,并分别对直接冷却机制下的缓冲气体冷却、分子Stark减速冷却和蒸发协同冷却,间接冷却机制下的光缔合技术、光学Feshbach共振技术和磁场可调谐的Feshbach共振技术进行了描述.

【期刊名称】《科技资讯》

【年(卷),期】2013(000)001

【总页数】2页(P65-66)

【关键词】超冷分子;分子结构;振动转动光谱

【作者】朱德生

【作者单位】长江大学物理科学与技术学院湖北荆州 434023

【正文语种】中文

【中图分类】O561

将温度较高的急速冷却,使分子的温度达到mK量级,此时分子的运动几乎中止,就形成了超冷分子。超冷极性分子技术的实际应用十分广泛,如:研发新式化学反应和反应过程生产设计材料,改善能源产品,开发量子计算新方法(如用带电的分子作为量子字节),思考新的应用于精确测量的方法(如光学分子钟或是用分子系统代替标准模型来探寻新的物理理论),提高人们对冷凝物质的特殊现象,诸如:异常磁阻(提高数据存储容量和处理速度关键),超导性能(提高半导体电能转换的关键)等。冷分子所带来的超高分辨光谱也可用于研究手性分子(chiral molecule)对映异构体间

(enantiomers)的差别,而这种差别可能是分子内部弱相互作用的一种表现[1,2],并将可能解释生化系统中左旋和右旋氨基酸分子间的不均衡性。分子内部振转能级跃迁的精确测量强烈依赖于质子和电子间的质量比(mp/me),因此可用于测量基本常数随时间的演变,而这种演变正是宇宙膨胀的结果[3]。冷分子带来的探测光和样品长相互作用时间使得我们可以直接测量电子或振动激发态寿命[4]。

缓冲气体冷却最早是由哈佛大学的J．M．Doyled小组提出的。他们利用低温的氦气作为缓冲气体,通过与样品气体的弹性碰撞实现了对CaH分子的初步冷却。该技术适用于任意可以同氦气发生碰撞的分子,所以绝大多数种类的分子都可以采用这个方法进行预冷,如Ne-N2O[5],CaF,NH,YbF等。

经过同缓冲气体碰撞冷却后的分子会被装载入一个磁阱中,然后经由导引技术产生低温下的冷分子束(因为He气的温度为4.2K,故产生的分子束的温度在4K左右)。具体的操作流程是:先将样品分子气体装入一个冷的隔离室,室内预先充满了低温的氦气或者氖气。样品分子会同载气分子在隔离室内发生碰撞相互作用,经过一段时间之后,它的转动能量和平动能量都会降低到缓冲气体的水平。为了提取到纯样品分子,在隔离室的出口处需要放置弯曲的波导管,使得只有运动速度非常缓慢的分子才能被顺利导引而到达最终的目标位置。

分子的Stark减速最早是由Meijer小组在CO分子中实现的。该技术的基本原理是基于极性分子同电场之间的偶极相互作用。当极性分子束进入电场区域的时候,处于适当的内部量子态的分子就会获得一定的Stark能量,而这一部分能量来自于分子本身动能的减少。如果电场在分子离开前撤去的话,分子便不会重新获得所失去的动能,它的速度就会减小。如果让分子通过这样一系列级联的电场,分子的速度会一直不断地被减小直到静止。该方法在实验上实现起来比较简单,只需要较好的超声分子束源,冷却温度的极限一般在10mK左右。

在Stark减速的过程中,首先将样品分子气体和载气(如氙或氦等稀有气体)一起通入

一个脉冲阀中。通过稀有气体大分子同样品分子的碰撞,可以实现对样品分子的预冷。然后经由脉冲阀喷出,形成超声冷分子束。该分子束的横向线宽会被压窄,经过脉冲阀的膨胀效应也会使绝大多数的分子位于各自的基态上面,从而使得分子的内部自由度得到相应的冷却。当超声冷分子束形成之后,将其引入正交排布的极性电场区域。由于极性分子具有较大的电偶极距,因此在电场的作用下会产生和运动方向相反的偶极力,分子在电场中运动时会一直处在减速的状态。当分子运动到一对电极的中央,此处的电势最大,如果这时候撤去电场,分子就会保持这个最小的速度继续做匀速运动。运用多对类似的电极排列,分子会一直处在爬坡的阶段,实现有效的分子冷却。到目前为止,该技术已经被应用于产生不少种类的冷分子样品,例CO,OH,ND3。

当缓冲气体技术和Stark减速方法都无法令分子系综进入超冷区的时候(<lmK),蒸发协同冷却技术的发展就具有其非常大的现实意义。这是因为当温度降低到1mK 以下,分子系综会表现出一些更奇妙的物理和化学现象。早在1986年,Hess教授就首先提出了对磁势阱中的原子进行蒸发冷却的设想,到了1988年,Hess等人在自旋极化的氢原子中实现了蒸发冷却。他用不断降低势阱深度的方法致使一部分能量高于阱深的原子逃逸出去,剩下的原子经过弹性碰撞而重新进行热平衡分布,逐步达到冷却效果。这里存在的一个关键问题是当一部分高能量的原子跑出去后,阱中剩余的原子需要及时完成新的热平衡,不断地产生新的高动能的原子。这个过程主要取决于弹性碰撞的速率。研究蒸发冷却主要是研究降低阱深与重新热平衡过程之间的速度关系,使得它达到最佳的冷却效果。协同冷却也是基于热平衡的原理将样品分子气体同另一更低温度的稀有气体混合。早期的协同冷却也被称为缓冲气体冷却,是利用同氦气的碰撞作用将样品分子气体冷却到100mK。如果将协同冷却技术作用于经过Stark减速预冷后的分子,就有希望将其冷却到更低的温度(如µK)量级。目前,还有不少科学家们对研究低温下的分子同碱金属原子的碰撞特性很感兴趣,他

们发现分子同原子之问拥有较大的弹性碰撞速率和较小的非弹性碰撞速率是进行协同冷却的关键。因为分子问的非弹性碰撞会导致分子升温而损耗,此外,不同粒子组

分之间可能产生化学反应,这也是导致损耗的另一种途径。

由Thorsheim等人最早提出的光缔合现象,可以直观地解释为一对相互碰撞的原子吸收了一个特殊频率的光子而被激发到一个较高的分子能级的过程。直接光缔合产生的分子往往是被高度激发的,寿命非常短,易于发生自发辐射而衰减到一系列较低

的能态上,或是退缔合成为自由原子对。随着双色光缔合技术的发展,人们已经可以

成功的将产生的分子通过受激拉曼辐射相干地转移到振动的基态上,同时又可以大

大地保持样品气体相空间的密度。

光缔合是通过光缔合(PA)激光和超冷铯原子相互作用实现。光缔合激光器是一台钛宝石激光器(Coherent MBR110)。其线宽小于100kHz。其频率可以在40GHz范围内连续扫描,实验中光缔合光最大输出功率为600mW。将光缔合光用透镜聚焦。使其在冷原子云区聚焦到500µm,将冷原子云全部覆盖,当光低合在扫描过程中其

红失谐频率接近铯原子6S1/2(F=4)→6P3/2(F’=5)跃迁时,利用中性密度滤波片

将它的功率逐渐衰减,避免光缔合光对磁光阱的干扰。光缔合的频率在6P3/2原子渐进态限之下很宽的范围内扫描(相对于原子跃迁线红失谐40cm−1)。实验中把铯原子6S1/2(F=4）→6P3/2(F’=5)跃迁线作绝对频率标准。此频标用波长计(WS/7R)测量,其精密度为0.002cm−1。在实验中利用雪崩光电二极管(Hamamatsn Si APD,S3884)探测冷原子的荧光信号。

由磁场可调谐的Feshabch共振技术所引申出来的光学Feshbach共振,也是近十

年来冷原子分子物理领域非常热门的研究方向之一。这个想法最早是由Fedichev

和Bohn等人相继提出的,他们建议用调制光场的方法来改变原子间的散射长度。

此后这个想法为多个小组在实验和理论上证实。

当散射长度是正值时,原子间的相互作用是排斥的;当散射长度是负值时,原子之间的