中性分子的有效减速与sub-mK光学冷却的探索及其应用研究

本项目主要研究内容:开展(1)内外态温度更低的连续冷分子束产生的新方案，(2)超声分子束静电Stark减速与囚禁新方案，(3)连续或脉冲分子束光学Stark减速与囚禁的理论与实验研究;(4)中性分子sub-mK光学冷却的理论研究与实验探索,(5)集成分子光学及其分子芯片的理论与实验研究,(6)冷分子光学表面存储环的理论研究与实验探索,(7)冷分子量子计算与信息处理的理论研究与实验探索,(8)冷分子激光排列取向与量子调控摆动光谱的理论与实验研究,从而为实现中性分子的有效减速与sub-mK冷却、冷分子摆动光谱、冷分子化学和冷分子量子计算等提供新的技术手段，可望取得一系列重要的创新性研究成果，部分成果达到国际先进水平。此外，如果经费允许的话，拟完成5-10K低温束源及其连续冷分子束产生的实验系统和超声分子束静电Stark减速的实验系统的研制，从而推动我国"冷分子物理与分子光学"的快速发展。

根据本项目的研究计划，我们首先自行设计与研制了五个实验研究平台，开展了缓冲气体冷却与5-10K低温束源的研制及其连续冷CH3F分子束的产生、冷分子静电表面导引、表面分束器、超声分子束静电Stark减速和光学Stark减速、高能量分辨脉冲ND3冷分子束的产生，冷原子分子系综的量子态调控与量子信息处理，冷分子摆动光谱，集成分子芯片的设计与研制、瞬态分子光谱、小分子振转态纠缠动力学特性、多原子比特可调相位门实现方案等的理论与实验研究，取得了一些重要的研究进展，超额完成了各项研究任务，达到了预期研究目标。例如:（1）冷分子静电表面导引效率高于30%（实际高于50%）;（2）实现分束比为10-90%连续可调的分子分束器（已达到10-90%的连续可调）；（3）研制成功5 -10K的低温束源 (实际为4 - 10K)；（4）脉冲超声分子束被有效减速至0-80 m/s （实际小于4.8m/s，甚至为负），并实现Bunching冷却，冷分子波包温度达到2-3mK（实际为0.87mK）；（5）采用我们提出的多级光学Stark减速新方案可获得温度为sub-mK的冷分子（实际可低于10uK）；（6）设计与研制具有冷分子制备与操控功能的分子芯片（正在实验研究中）；此外，发展量子态调控下冷分子摆动光谱的理论模型等。综上所述，本项目取得了如下一些重要创新性研究成果或突破性进展：（1）可控制静电表面分子分束器的实验验证与研究，（2）光和超冷原子分子气体相互作用的局域场效应研究，（3）可控制冷分子静电表面导引新方案的理论与实验研究，（4）基于局域场效应产生的极化子孤子研究，（5）利用纳米柱子阵列实现全方位角入射的全反射现象研究，（6）掺Yb3+离子LuLiF4晶体激光的实验研究；上述研究工作分别发表于重要学术刊物PRL（4篇）、PRA和Opt. Lett.。本项目执行四年来，已发表SCI学术论文60篇，其中PRL论文4篇，SCI影响因子大于或约3.0的论文21篇；出版学术专著《原子光学》一部；出版中英专著的章节共3章；参加国际会议20人次，其中邀请报告5个，口头报告5个，张贴报告10个；出国做博士后合作研究2人，引进副教授2人，晋升教授1人，获得上海市领军人才培养人选1人；获教育部自然科学二等奖1项；培养在研博士生14人，硕士生18人，博士后1人；博士毕业毕业11人，硕士毕业15人；