连续极性冷分子束的产生及其研究

摘要

由于冷分子具有非常丰富的内态结构,是物理和化学学科研究的基本物质单位,在精密光谱测量、物理和化学常数的测量、冷碰撞和冷化学、量子信息处理等方面有着非常广阔的应用前景,因此冷分子的产生和应用近年来越来越引起了人们的重视。本文首先综述了分子的冷却、囚禁及其操控的原理、实验和最新进展,其次介绍了分子束原理与技术,然后以从理论上和实验上研究了室温下和低温下的CH3CN射流分子束的静电四极场弯曲导引及其低通能量滤波技术,获得了1K以下的冷分子束。接着介绍了一种新型的采用载流导线列阵实现冷原子或顺磁冷分子的磁晶格方案。最后,就本文的研究工作进行了总结,对课题的未来研究进行了展望。 本文首先从理论上研究了CH3CN分子的四极静电场弯曲导引方案(低通能量滤波),计算了四极杆产生的静电场分布,分析了对称陀螺分子-CH3CN分子的转动能级Stark分裂及其布居数分布。采用Monte-Carlo方法模拟了室温下CH3CN分子束在弯曲四极静电场中运动的动力学过程,得到了导引输出分子束的速度分布、温度和导引效率。在导引电压±3KV时,得到分子束的温度Tz=2.2K、Tp=420 mK,导引效率也1.96×10.-5.分析得到分子束温度和导引电压成正比,导引效率和导引电压的二次方成正比。接着又采用Monte-Carlo方法模拟了低温分子束源(5K)的静电四极弯曲导引过程,并且采用逐步降低两段导引电压的方法实现冷分子束的产生。在两个弯曲导引电压分别为±1KV和±0.5KV的条件下,得到了温度为Tz=301mK、Tp=28.6mK (效率为9.0×10-4)的冷分子束。模拟结果证明,使用缓冲气体冷却的低温气源能够提高导引效率,同时配合更低地导引电压可以获得更冷地分子束,甚至有望到1mK以下。 本文在实验上实现了室温下(300K)CH3CN连续分子束静电弯曲导引及其低通能量滤波。介绍了实验装置中的分子束束源系统、真空系统、导引组件、脉冲高压装置及时序控制系统、飞行时间质谱探测系统等。测量了导引后的分子束纵向、横向温度和导引效率,并且与理论模拟结果进行了比较,取得了实验与理论相一致的结果。在束源压强50Pa,导引电压±1KV的条件下,得到了Tz=520mK、Tp=42.3mK的冷分子束。通过变换导引电压和束源压强,发现温度的变化过程与电压成正比,相对导引效率与电压的二次方成正比这与理论预言的规律一致。本文还从理论和实验上研究了冷分子束的发散角,在束源压强50Pa,导引电压±4KV的条件下,得到发散角为θ=11.38。。我们还研究了发散角与导引电压的关系,结果发现随着导引电压的增大,发散角先是指数衰减,然后趋向-定值。本文还从理论上研究了静电六极杆对分子束的聚焦或准直效应。从第三章的理论分析和第四章的实验结果出发,利用Monte-Carlo方法模拟了弯曲导引后的低温射流分子束的六极杆聚焦和选态,获得的结果与六极杆的聚焦和选态理论基本符合。从而为以后的分子囚禁和量子操控提供了理论参数依据。 本文还提出了一种新型的利用方形载流导线列阵构成的冷原子或冷分子表面磁光晶格和磁晶格方案。改变导线电流及纵向和横向的偏磁场,能够实现了从磁光阱到loffe磁阱的转化以及磁阱位置的变化,构成可控制的磁晶格,并且可以实现从双层阱到单层阱的演化。Monte-Carlo模拟了冷原子在从磁光晶格向磁晶格转化过程中的装载动力学过程,显示了原子云的密度和温度变化完全和势阱的变化相吻合。这种表面磁晶格不仅可用于冷原子,也可用于顺磁冷分子的囚禁,从而为实现冷分子的量子计算与量子调控提供一个新的实验方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章冷分子的研究背景

1.1引言

1.2冷分子的应用前景与研究目的

1.3分子的静电、静磁和激光操控基本原理

1.4冷分子的产生方法及其研究进展

1.5分子的囚禁

1.6分子的操控(包括导引，反射，衍射与干涉)

参考文献

第二章分子束理论与技术

2.1引言

2.2射流分子束形成的基本原理及其相关理论

2.3超声分子束形成的基本原理及其相关理论

2.4本章小节

参考文献

第三章CH3CN分子静电弯曲导引的理论研究

3.1引言

3.2四极静电场弯曲导引的方案

3.3 CH3CN在电场中的能级结构

3.4室温下CH3CN弯曲导引的Monte-Carlo模拟

3.5低温下CH3CN弯曲导引的Monte-Carlo模拟

3.6本章小结

参考文献

第四章CH3CN分子静电弯曲导引的实验研究

4.1引言

4.2实验装置

4.3飞行时间质谱的探测原理

4.4 CH3CN的飞行时间质谱及其实验结果分析

4.5本章小结

参考文献

第五章连续冷分子束的选态和聚焦

5.1引言

5.2静电六极杆(静电六极透镜)的选态和聚焦作用理论

5.3射流分子束的六极杆聚焦与选态的Monte-Carlo模拟

5.4本章小结

参考文献

第六章总结与展望

6.1研究工作总结

6.2本文的主要创新点和未来研究工作的展望

附录采用载流导线构成可控的冷原子、分子表面磁晶格

1引言

2方形载流导线列阵形成的可控磁光晶格和磁晶格方案

3磁晶格单个磁阱中冷原子装载的Monte-Carlo模拟

4本章小结

参考文献

博士研究生阶段发表和待发表的论文目录

致谢