一种用于超冷极性分子操控的多用途电场产生装置

摘要

本发明属于原子，分子和量子光学领域，特别涉及一种用于超冷分子操控的多用途电场产生装置。一种用于超冷极性分子操控的多用途电场产生装置，包括四根圆柱形铜电极，每根圆柱形铜电极直径为3mm长度为30mm的，每根圆柱形铜电极的前端面在同一个平面上，每根圆柱形铜电极的后端面在同一个平面上，四根圆柱形铜电极的横截面圆的中心构成一个长边为12.16mm短边为6mm的矩形，第一圆柱形铜电极的横截面圆的中心与第二圆柱形铜电极的横截面圆的中心之间的距离为6mm。本发明能够在100μm×100μm×100μm区域产生一个高均匀度电场。

说明书

技术领域

本发明属于原子，分子和量子光学领域，特别涉及一种用于超冷分子操控的多用途电场产生装置。

背景技术

在过去的几十年中，原子，分子和量子光学领域在制备超冷极性分子上取得了巨大成功。与超冷原子类似，超冷分子有广阔的应用前景。超冷极性分子由于具备独特的长距离的电偶极相互作用，可应用于量子计算，凝聚态物理等领域，如超冷极性分子和超导谐振腔组成的混合系统可以用于量子信息的编码和处理、超冷极性分子可以作为量子模拟器的基本元素从而对系统的哈密顿量进行设计。此外，超冷极性分子在精密测量也有广泛的应用。

超冷极性分子需要施加一个大于1kV/cm电场才能产生电偶极距。超冷极性分子的温度小于400nK,电场中心和边缘的的电场强度差所产生的分子势能应该小于400nK。对于囚禁在光晶格中的单个超冷极性分子进行寻址是超冷极性分子应用的关键技术之一。单个格点寻址可以通过一个电场梯度来控制分子的转动能级的Stark频移来实现。将超冷分子离子化后进行探测是实现超冷分子探测的一种有效手段，分子离子化后所产生的离子运动轨迹的控制也需要相应的电场来实现。超冷分子的冷却，囚禁，调控和探测都需要激光光束与分子相互作用，因此调控超冷分子的电场应该留有足够的间隙使激光可以通过。

2008年，美国科罗拉多大学叶军小组利用一对间距为1.3cm的镀有氧化铟锡的透明圆盘电极产生一个大小为2kV/cm的直流电场并在KRb分子上获得一个大小为0.566Debye的电偶极距(Science.322,p231-235,2008)。实验中所用的电场装置有效的实现了均匀的直流电场从而实现了对温度为350nK的KRb分子的极化。但由于只有两个电极，该电场装置只能产生均匀的直流电场而无法产生电场梯度，也无法对分子离子化后的离子轨迹进行控制。

2013年，德国海德堡大学Weidemüller小组利用4个内径为15mm，厚度为2mm,高度为8mm的半圆形电极两两组成一个具有一定间隙的圆环形，两个圆环的内间距为28mm(Front. Phys. P1-16,2013)。实验中所用的电场装置可以产生均匀电场并且可以对离子轨迹进行控制。然而在装置区域边缘的电场相对与该区域中心的电场的变化为5×10^-4。利用该装置产生一个大于1kV/cm的电场，电场的不均匀性导致分子所产生的势将破坏超冷分子，因此该装置无法用于超冷分子的调控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何克服背景技术中的缺陷，提供一种能够分提供高均匀度电场、满足用于囚禁于光晶格中的超冷极性分子的单个格点寻址，能够控制超冷分子被离子化以后所产生离子的运动轨迹。

本发明所采用的技术方案是：一种用于超冷极性分子操控的多用途电场产生装置，包括四根圆柱形铜电极，每根圆柱形铜电极直径为3mm长度为30mm的，每根圆柱形铜电极的前端面在同一个平面上，每根圆柱形铜电极的后端面在同一个平面上，四根圆柱形铜电极的横截面圆的中心构成一个长边为12.16mm短边为6mm的矩形，第一圆柱形铜电极的横截面圆的中心与第二圆柱形铜电极的横截面圆的中心之间的距离为6mm，第三圆柱形铜电极的横截面圆的中心与第四圆柱形铜电极的横截面圆的中心之间的距离为6mm，第一圆柱形铜电极的横截面圆的中心与第三圆柱形铜电极的横截面圆的中心之间的距离为12.16mm，第二圆柱形铜电极的横截面圆的中心与第四圆柱形铜电极的横截面圆的中心之间的距离为12.16mm；当在第一圆柱形铜电极和第二圆柱形铜电极施加相同的负电压，在第三圆柱形铜电极和第四圆柱形铜电极施加相同的正电压，并且负电压与正电压的在数值上大小等同时，在四根圆柱形铜电极的中心的100μm×100μm×100μm区域范围内产生一个高均匀度电场，即在该区域范围边缘的电场相对与该区域范围中心的电场的变化小于5.6×10^-8；当在第一圆柱形铜电极和第四圆柱形铜电极施加相同的负电压，在第二圆柱形铜电极和第三四圆柱形铜电极施加相同的正电压，并且负电压与正电压的在数值上大小等同时，在四根圆柱形铜电极的中心的100μm×100μm×100μm区域范围内产生一个第一电场梯度，该第一电场梯度满足用于囚禁于光晶格中的超冷极性分子的单个格点寻址；当在第一圆柱形铜电极和第三圆柱形铜电极施加不同的负电压，在第二圆柱形铜电极和第四圆柱形铜电极施加相同的正电压时，产生一个第二电场梯度，该第二电场梯度满足用于控制超冷分子被离子化以后所产生离子的运动轨迹。

本发明的有益效果是：本发明能够在100μm×100μm×100μm区域产生一个高均匀度电场，在该区域边缘的电场相对与该区域中心的电场的变化小于5.6×10^-8，这样的高均匀度电场可以在操控超冷（温度<300nK）极性分子的同时避免电场变化所产生的势能影响所操控的分子；本发明能够在100μm×100μm×100μm区域产生一个第一电场梯度，该第一电场梯度可用于囚禁于光晶格中的超冷极性分子的单个格点寻址；本发明能够产生一个第二电场梯度控制超冷分子被离子化以后所产生离子的运动轨迹通过电极之间的间隙从而达到位于电极一侧的探测器上。为了避免探测器对光路的影响，探测器可根据实际情况放置在偏第一圆柱形铜电极一侧，也可以放置在位于第三圆柱形铜电极一侧。同时，在电极之间留有空隙使得从横向和纵向入射的光束，都有充足的空间通过。在超冷分子的制备过程中需要采用激光致冷的手段，激光致冷时需要有横向和纵向入射的光照射在样品上从而达到致冷的效果，制备好的超冷分子需要采用光势阱将其囚禁从而进行科学研究和应用，光势阱可以由多光束干涉形成，原子装载到光势阱也需要使分子和光势阱重合。装载到光势阱中的分子可以采用激光对其所处的能态进行精密调控，激光也需要照射到样品上对超冷分子进行探测时，也需要将探测光照射到样品上。电极之间的间隙,将确保冷却，囚禁，调控，探测超冷分子的光束不受电极影响。因此，本发明具有可以产生高均匀度电场从而极化超冷极性分子（极化是在电场作用下，原子核和负电子云分开，由电中性变成极性分子）。可以产生电场梯度其中电场在实验区域呈线性变化像梯子一样一步一步升高，或者降低，从而用于囚禁于光晶格中的超冷极性分子的单格点寻址，囚禁在光晶格中的每一个格点中的分子是一样的，是无法区分的，采用梯度电场后根据分子的斯塔克效应，分子谱线在不同电场强度下的分裂是不同的，这样每个分子就有了自己的特征，可以采用微波脉冲对其进行识别和控制。控制超冷极性分子离子化后的离子的运动从而用于信号收集和探测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为四根圆柱形铜电极的横截面圆中心结构示意图；

其中，1、第一圆柱形铜电极，2、第二圆柱形铜电极，3、第三圆柱形铜电极，4、第四圆柱形铜电极。

具体实施方式

首先在在第一圆柱形铜电极、第二圆柱形铜电极上施加大小为1kV的电压，并在第三圆柱形铜电极、第四圆柱形铜电极上施加大小为-1kV电压，在四根电极的对称中心为中心的100μm×100μm×100μm区域产生一个大小为15>μm×100μm×100μm区域产生一个大于54MV/m²电场梯度。通过在第二圆柱形铜电极、第四圆柱形铜电极上施加200V大小的正电压，在第一圆柱形铜电极上施加-50V，在第三圆柱形铜电极上施加-200V的电压可以产生一个电场梯度控制超冷分子被离子化以后所产生正离子通过第一圆柱形铜电极、第三圆柱形铜电极之间的空隙进入探测器。