超冷分子的相干操控及相关物理常数的精密测量

The more information of molecules are obtained and the new methods and technology of coherent controlled molecules are developed using the multidimensional processes of interaction between the ultrafast laser and atoms are precision controlled via frequency domain. Coherent control of ultracold molecules and precision measurement of relevant physical constants are the main taskes in this project. The temperature of ultracold atoms is decreased by polarization gradient cooling. The interaction time between the light and the ultracold atoms is increased. The strong interaction of light and ultracold atoms is realized in optical trap. The cold molecules of exactly rovibrational level are preparation using the controlled Raman photoasiciation. The ground molecules are excited by one photon or mult-photon progress, which is realized by changing the parameters of femtosecond optical frequency comb, such as interval of pulse and carrier-wave packet phase. The molecular mult-level system coherent state is effectively prepared and the coherent process is accurately controlled. The absolute frequency of hyperfine transitions of molecule and rovibrational constant are measured precisely. The highly accurate molecular potential energy curve is obtained. The evolution of the Fine Structure constant is obtained based on ultracold molecule system. The project will effect on the basic test of physics principle using the precision measurement of quantum limit, the foundation of brand-new quantum control technology and miniaturization of quantum devices.

通过频域精密控制超快激光和超冷原子分子相互作用的多维过程，可以跨越更深层次获取原子分子的相关信息,发展相干操控原子分子的新方法和新技术。本项目以超冷分子相干操控及相关物理常数的精密测量为研究内容，利用偏振梯度冷却进一步降低超冷原子温度，有效增长光与超冷原子相互作用时间。在光学阱中实现光和超冷原子强相互作用。使用两束位相恒定的飞秒激光通过受控拉曼光缔合，实现振转能级可控的基态超冷分子的相干制备。利用单光子和多光子激发基态超冷分子，通过精密操控光学频率梳的脉冲间隔、载波-波包相位等参数，实现分子多能级系统相干态的有效制备和相干过程的精密操控。精密测量分子振转能级跃迁的频率，获得高精度的完整分子势能曲线。开展基于超冷分子系统测量精细结构常数随时间变化的实验研究。这些工作对于将量子极限的精密测量推向物理原理的基本检验，建立全新的量子调控技术和实现量子器件小型化具有重要的作用。

本项目在飞秒光学频率梳和超冷原子分子相互作用的实验系统中开展了超冷原子分子物理及精密测量的相关研究工作。通过偏振梯度冷却技术有效降低超冷原子温度，增长光与超冷原子相互作用时间；将超冷原子装载在光学阱中，在受限空间中实现光和超冷原子强相互作用。利用空间光调制器把飞秒光学频率梳整形为相干的飞秒脉冲序列，将两束相位恒定的飞秒激光作用在超冷原子上，有效地解决了光缔合过程中由于弗兰克康登因子小导致分子产率低的问题，实现了振转能级可控的基态超冷分子的相干制备，分子产量可以达到80%以上。利用单光子或多光子跃迁，使基态的超冷分子相干布居到不同的高激发态，完成超冷分子多能级系统的相干制备和相干过程的精密操控。利用光学频率梳精密测量分子不同振转跃迁的频率，获得分子势能曲线的完整信息。研究外界磁场、温度、光学阱参数等因素对测量精度的影响，优化实验条件，测量的不确定度小于10-16。通过高精度的势能曲线数据并选择最优化的能级，在超冷分子系统中实现了精细结构常数随时间变化的精密测量。通过精密控制飞秒光学频率梳与超冷原子作用的过程，在超快时间尺度更高精度的操控光子，实现了在超高时间分辨和超高频谱精度上获取分子相关信息，对于建立全新的量子调控技术和精密测量方法具有重要的作用。