双原子分子束的横向多普勒激光冷却与纵向减速的实验研究

The main research content of this project: (1) to choose a candidate molecule (MgF or BeH) for laser cooling experiment, and measure the rotational and hyperfine structure for X2Σ and A2П of MgF or BeH. (2) to design and construct a low-temperature molecular beam source with high flux, low internal temperature and low translational temperature, it can be used as the beam source of laser cooling of molecule;(3) to eliminate the molecular dark state, and realize the transverse Doppler cooling of the MgF or BeH molecular beam under the optimal laser detuning and magnetic field intensity with cooling temperature less than 5mK. (4) to realize longitudinal velocity deceleration of molecular beam with the spontaneous radiation forces with slowed velocity less than 50m/s. (5) to study and compare the transverse deflection of the molecular beam by the radiative force and stimulated force, and explore the rapid deceleration of molecular beam with the optical bichromatic forces, support new technological scheme for the 2D and 3D laser cooling and trapping of molecule in Magneto-Optical Trap, establish the experimental basis for the generation of ultracold chemistry-stable molecules, and it is anticipated that ultracold molecules attractive candidates with the temperature of microKelvin has some potential applications in quantum simulations of condensed-matter systems, quantum computation, precision measurement, and cold collision, and so on.

本项目的主要研究内容：(1)选择一种适合做分子激光冷却实验的分子（候选分子氟化镁或者氢化铍），研究分子准闭合的能级结构和分子从X2Σ态跃迁到A2П态转动光谱和精细能级光谱。(2)设计并制备一束具有高束流、低内态和外态温度的分子束，作为分子激光冷却的束源；（3）消除分子的暗态，实现在优化的激光失谐和磁场强度条件下，分子束横向多普勒冷却，对应冷却温度小于5mK；（4）采用自发辐射力减速分子束纵向速度，平动速度小于50m/s；（5）研究并比较分子束的横向共振辐射力偏转和受激辐射力偏转，探索采用双色激光驻波场的受激辐射力来快速减速分子束的纵向速度，为实现分子在磁光阱中的二维和三维激光冷却与囚禁提供新的技术方案，也为实现产生超冷的化学稳定分子样品的研究奠定实验基础，可望产生温度微开量级的冷分子样品，并为在凝聚态物质中的量子模拟、量子计算、精密测量和冷碰撞等方面的应用提供理论与实验依据。

由于冷分子可用于基本物理问题的实验研究、分子激光与分子芯片的研制、分子BEC和费米量子兼并、凝聚态物理的量子模拟、纳米分子束刻蚀术及其纳米新材料的制备等。因此，“冷分子的制备与操控”有着十分重要的科学研究意义和广阔的应用背景。分子不同于原子的地方主要在于分子内部复杂的自由度，比如振动和转动能级，这给分子冷却带来了许多困难，因此分子的激光冷却是一项充满机会与挑战的实验。根据本课题的研究计划，完成了各项科研任务。我们首先自行设计与研制了低温真空实验平台，接着开展了氟化镁 (MgF) 分子的激光冷却与实验研究，取得了一些重要的研究进展，完成了各项研究任务，达到了预期研究目标。例如:（1）研究了MgF分子的能级结构和分子从X2Σ+态跃迁到A2Π态转动光谱和精细能级光谱；（2）研制成功5K平动温度，1K转动温度的低温分子束源；（3）实现了冷却和泵浦激光的长稳锁定，获得359nm和368nm激光的绝对频率稳定度达到±0.8MHz，线宽达到6kHz；（4）研究了MgF分子在减速过程中暗态的消除，磁场大小为30高斯，与激光偏振角度为50～80度范围的时候，通过拉莫尔进动的办法将分子的暗态完全消除；（5）采用激光扫频的方法减速分子束纵向速度，一个EOM（扫频速率330 MHz/ms）补偿多普勒频移，另一个EOM（116MHz正负边带）覆盖分子的超精细能级结构，激光功率1W，可以将纵向速度为120m/s、横向速度为30m/s的分子束在5cm内将分子束速度减速至10m/s，适合分子的MOT装载；（6）研究了MgF分子A2Π→X2Σ+ (0-0) Q12(0.5)/P11(1.5)能级系统中的受激辐射力减速的动力学过程，可以将初始速度120 m/s的MgF分子束几乎减速到静止，A2Π→X2Σ+跃迁更适合双色力减速和冷却。此外，开展了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研究；还研究了二维表面微结构光场在冷分子囚禁和沉积等操控方面的应用。