超冷分子的制备及其在精密测量物理常数中的应用

Ultracold molecules offer new methods and opportunities to probe various fundamental constants with unprecedented sensitivity. This proposal is focused on the generation of ultracold molecules and its applications in precision measurement. The goals of this proposal include: the development of the technology to trap ultracold cesium molecules in an all-optical trap, which is based on an optical dipole trap through a coherent photoassociation; combining the rovibrational spectra of long-range ultracold molecules through photoassociation spectroscopy with molecular spectra obtained with traditional spectroscopic technology to provide high-precision molecular potential energy curves and molecular parameters; optimizing an experimental scheme with the precise molecular potential curves and other parameters to measure the variation of the electron-to-proton mass ratio. We believe that, through the implementation of this project, our ability for international competition on generating ultracold molecules and its application for precision measurement will be improved greatly.

超冷分子的物理实现为精密测量物理提供了崭新的研究方法和技术手段，使得以前所未有的高精度测量部分物理常数成为可能。本项目针对精密测量物理重大研究计划项目指南中“超冷原子与分子气体的制备与应用”研究方向，着眼于发展超冷分子的制备和其在精密测量中的应用的关键技术，包括建立全光学制备超冷分子的实验系统，通过基于光学偶极阱的相干光缔合方案高效制备超冷铯分子；联合超冷分子光缔合光谱提供的长程区域振转能级束缚能数据和传统光谱技术获得的短程区域振转能级束缚能数据，基于全区域光谱数据计算分子高精确势能曲线和分子常数；应用高精度的能级位置等参数选择优化的实验方案，在超冷分子体系中测量物理基本常数电子质子质量比常数的变化。通过本项目的实施，使得我们在超冷分子体系的制备以及用于精密测量的原理与方法等研究方向的国际竞争力得到进一步的提升。

电子质子质量比常数(μ=me/mp)，作为自然界中重要的无量纲常数，在极大时间尺度下存在随时间变化的可能，而对其变化的实验观察建立在精密测量的基础上。山西大学与清华大学的研究团队充分利用双方的研究特色，发挥各自的优势学术资源，在三年项目执行期间，课题组建立并优化了两套运行良好的超冷分子实验系统，解决了超冷分子密集相干制备中最优化能级选择的重要科学问题，掌握了多光场频率相干锁定与独立扫频的关键技术，实现了密集基态超冷分子的制备，获得了分子的高精确势能曲线和相关分子常数，为精密测量电子质子质量之比随时间的变化奠定了坚实的基础。完成了项目的计划内容，获得了预期的研究成果。.课题组发展增强的三维拉曼边带冷却技术，将超冷原子样品的温度冷却到1μK，使其在相干光场中的量子相干效应进一步增强，在磁悬浮交叉光学偶极阱中对预冷却的超冷铯原子实现了高密度与高效装载。同时，我们在双暗磁光阱中成功实现了超冷钠铯分子的光缔合制备。采用一系列高灵敏光谱技术，获得了超冷铯分子近离解限、长程远失谐区域等极限探测区域、以及超冷钠铯分子高激发态的高分辨光缔合光谱。利用发展的双光缔合光谱技术，精确测量了超冷铯分子不同振动态下的分子常数，以及超冷极性钠铯分子超精细能级结构的光致频移。此外我们发展了基于飞秒光学频率梳系统的宽带光谱精密选择技术，获得实验所需近红外光谱区域的宽带激光，利用超冷铯分子独有的长程态双阱隧穿机制，采用光缔合技术结合宽带光学泵浦，在光阱中相干制备了密集的基态超冷铯分子，利用飞行时间光谱技术探测得超冷基态铯分子样品分子数约8.2×105，温度约为 1.5μK，寿命约为 300ms。课题组研究了外磁场操控超冷原子-分子间的相互作用，实现了原子-分子系统中的量子态操控。采用Feshbach共振技术对超冷原子气体的光缔合进行操控，实现超冷铯分子系统量子态布居转移的快速有效调控，使超冷分子的产率提高了近70%。本项目为开展以振转基态超冷分子为介质的量子模拟、以及量子态操控方面的研究提供了强有力的技术支持。.项目执行期间共计发表SCI收录学术论文22篇，其中包括Las. Phys. Lett.、J. Chem. Phys.、Phys. Rev. A、Opt. Lett.等SCI 高区论文 12 篇；申请国家发明专利3项，出版“‘十二五’国家重点图书出版规划项目”著作图书1部。