氟化镁分子的磁光囚禁及其在质子-电子的质量比常数精密测量上的应用

The high resolution spectra of cold molecules can be used to study whether the basic physical constants will change with time, such as the mass ratio of proton-to-electron and the fine structure constant, which will help people to understand the theory outside the standard model and verify the establishment of the standard physical model. In this project, the magneto-optical trap (MOT) of MgF molecules will be realized, and the vibrational level transition frequency of MgF molecules is used to study the feasibility of the change of the proton-to-electron mass ratio. The main research contents of this project are as follows: (1) we will use the optical stimulated fore and resonant radiation force to slow down the longitudinal velocity of molecular beam, because it has a wider deceleration range and a shorter deceleration distance, to ～25m/s, the number is 10^6, which can be captured by MOT; (2) the MgF molecules of 532.7uK (Doppler limit temperature) are produced by the DC MOT technique, and the ultracold sample of 100μK is created by 3D optical molasses; (3) to accurately measure the vibrational level transition frequecny of MgF molecule in X2Σ+, and lay the foundation for further evaluation of the accuracy of the proton-to-electron mass ratio constant. At the same time, the surface trapping of MgF molecule, and the quantum correlation dynamics of MgF molecule in MOT and optical lattice, the kinetic process of hydrogen bonding between dipolar cold molecules in cold collision and cold chemistry are studied.

冷分子高分辨光谱可用于研究基本物理常数是否会随着时间变化，例如质子-电子的质量比，精细结构常数，有助于人们深入地认识标准模型外的理论，检验标准物理模型是否成立。本项目将实现MgF分子的磁光囚禁，同时精密测量MgF分子的振动态跃迁频率来研究质子-电子的质量比之变化的可行性。本项目的主要研究内容：（1）采用受激辐射力和共振辐射力减速MgF分子束的纵向速度，具有更宽的减速范围和更短的减速距离。分子速度减速到～25m/s，分子数目达到10^6个，达到分子磁光阱装载和捕获范围。（2）采用直流磁光阱技术产生532.7μK（多普勒极限温度）的MgF分子，采用3D光学粘胶获得50～100μK超冷分子样品;（3）精确测量MgF冷分子X2Σ+态的振动能级的跃迁频率，为进一步的评估质子-电子质量比常数的测量精度奠定基础。同时还开展MgF分子的表面光学囚禁，及其在磁光阱和光学晶格中的量子关联动力学，偶极冷分子之间的氢键在冷碰撞和冷化学中化学健频率、键长变化的动力学过程的理论研究。

冷分子具有丰富的内态自由度，较大的电偶极矩，以及独特的化学特性，为精密测量，量子信息科学，凝聚态物理，以及可控化学提供了新的可能。我们开展了MgF分子激光冷却的实验研究。本项目取得的创新性研究成果如下：（1）在5K低温条件下，利用Mg和SF6化学反应制备出高通量的MgF分子，测量了MgF分子的碰撞截面。（2）测量了MgF分子高分辨的X2Σ+到A2II1/2电子跃迁的P, Q和R支跃迁谱线。实验上第一次验证了MgF的A2II电子态是一个正态，而不是倒态，解决了一个持续了50年的争议。（3）开展了MgF分子的暗态消除的特性的理论与实验研究，观测到MgF分子共振辐射力偏转，分子束横向偏转距离为4.9mm，每个分子散射200个光子，散射速率为9MHz。（4）提出了采用共振辐射力（频率啁啾）减速MgF分子束纵向速度的方案。当EOM扫频速率250MHz/ms，分子束从中心速度200m/s 减速至MOT可以捕获的速度。（5）提出了MgF分子磁光囚禁的想法，研究了对于激发态g因子较小，且衰减速率较大的MgF分子磁光囚禁的可行性。（6）测量了MgF分子同位素25,26MgF的高分辨率振转光谱和X2Σ+(v=0,N=1)的超精细能级。在此基础上，提出了采用在25MgF分子X2Σ+态和A2II之间的不同振转能级之间的跃迁频率和分子同位素效应来测量质子-电子质量比常数是否随之间变化的方案。此外还探索了冷分子在冷化学领域潜在应用研究，在多个重要的偶极冷分子体系下，比如羟基乙酸-水，羟基乙酸-甲酸等二聚体，首次观测到了多氢键体系的竞争和协同效应；提出了分子表面光学囚禁的方案；提出了利用局域空心光束对MgF进行强度梯度冷却的方案；还提出了光学分数轨道角动量测量的新方法。