基于旋转冷分子等效原理检验的方案研究

摘要

等效原理作为物理学中的基本假设之一，已经被一系列的实验所检验，但是大部分实验采用非旋转的检验质量，并将检验质量看作是一个质点。张元仲、罗俊和聂玉听等人于2001年提出了一个关于旋转物体等效原理的唯像模型。我们实验室曾采用自由下落的陀螺对这一唯像模型进行检验，实验结果表明，在1.6x10-7的相对精度内，宏观旋转物体等效原理依然成立。相比于宏观陀螺，分子具有更高的转动速度，因此对与转速相关的效应可能更加敏感。另外，分子具有更小的几何尺度，有助于探索小尺度下的时空拓扑结构。采用旋转分子作为检验质量可能会开辟等效原理检验的新途径。
　　本文围绕基于旋转冷分子的等效原理检验开展了实验方案的分析研究，完成以下工作：
　　本文首先提出了基于旋转冷分子等效原理检验的初步实验方案。该方案利用静电六极杆结合圆偏振微波场对超声分子束中的分子进行选态，从而获得定向转动的分子，并利用静电Stark减速技术减速分子到较低的速度。通过测量分子自由下落过程中探测光的多普勒频移给出分子下落加速度g值。在该初步方案的基础上，通过两个六极杆结合圆偏振微波场选择出特定角动量取向的分子，并实现分子的横向冷却，基本噪声分析表明该方法可以在=2Xicr4g@100s的水平上检验不同转动态冷分子下落加速度差。
　　针对传统六极杆选态实验中的色差问题，设计了一种能有效减小六极杆聚焦过程中的色差效应的实验方案。在分子团完全进入六极杆后的某个恰当时刻快速关断六极杆电压，这样不同纵向速度的分子经历不同长度的有效六极杆聚焦区域，从而实现更好的聚焦效果。我们进行了分子选态的数值轨迹模拟，结果表明这种类型的六极杆能将选态纯度提高一倍，同时目标态分子通过六极杆的数目增加近三倍。
　　针对分子减速，设计了波导管内移动微波晶格减速极性分子的实验方案，利用分子的一阶交流Stark效应减速分子。在减速过程中，分子被囚禁在一个真实的三维移动微波势阱中，因此可以减少传统静电Stark减速和现有微波减速过程中的粒子数损失。我们建立了减速过程的纵向动力学模型，进行了三维Monte Carlo数值轨迹模拟，模拟结果表明该减速器具有可观的六维相空间可接受区域，为分子减速冷却提供了新的技术途径。

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1 引言

1 .1 旋转物体的等效原理检验

1 .2 分子的定向转动

1 .3 分子的冷却和减速

1 .4 本文主要研究内容

2 基于旋转冷分子等效原理实验设计

2 .1 分子的转动能级和转动图像

2.2 实验思路

2 .3 分子种类与转动态的选择

2 .4 微波操控分子转动态跃迁

2 .5 多普勒法测量下落加速度

2 .6 本章小结

3 分子束法检验等效原理方案设计

3 .1 分子束法方案

3 .2 相空间分布转动模型

3 .3 六极杆参数设计

3 .4 测量噪声估算

3 .5 基本物理噪声限制

3 .6 本章小结

4 利用消色差六极杆提高选态纯度的实验方案

4 .1 六极杆聚焦的色差效应

4 .2 消色差六极杆的原理

4.3 六极杆色差大小的比较

4 .4 六极杆选态数值模拟

4 .5 本章小结

5 移动微波晶格减速极性分子实验方案

5 .1 微波晶格减速方案

5 .2 微波场设计

5 .3 减速过程纵向动力学模型

5 .4 减速过程的数值模拟

5.5 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录攻读博士学位期间发表与待发表的论文目录