連續(xù)極性冷分子束的產(chǎn)生及其研究.pdf

1、由于冷分子具有非常豐富的內(nèi)態(tài)結(jié)構(gòu),是物理和化學學科研究的基本物質(zhì)單位,在精密光譜測量、物理和化學常數(shù)的測量、冷碰撞和冷化學、量子信息處理等方面有著非常廣闊的應用前景,因此冷分子的產(chǎn)生和應用近年來越來越引起了人們的重視。本文首先綜述了分子的冷卻、囚禁及其操控的原理、實驗和最新進展,其次介紹了分子束原理與技術,然后以從理論上和實驗上研究了室溫下和低溫下的CH3CN射流分子束的靜電四極場彎曲導引及其低通能量濾波技術,獲得了1K以下的冷分子束。

2、接著介紹了一種新型的采用載流導線列陣實現(xiàn)冷原子或順磁冷分子的磁晶格方案。最后,就本文的研究工作進行了總結(jié),對課題的未來研究進行了展望。 本文首先從理論上研究了CH3CN分子的四極靜電場彎曲導引方案(低通能量濾波),計算了四極桿產(chǎn)生的靜電場分布,分析了對稱陀螺分子-CH3CN分子的轉(zhuǎn)動能級Stark分裂及其布居數(shù)分布。采用Monte-Carlo方法模擬了室溫下CH3CN分子束在彎曲四極靜電場中運動的動力學過程,得到了導引輸出分子束

3、的速度分布、溫度和導引效率。在導引電壓±3KV時,得到分子束的溫度Tz=2.2K、Tp=420 mK,導引效率也1.96×10.-5.分析得到分子束溫度和導引電壓成正比,導引效率和導引電壓的二次方成正比。接著又采用Monte-Carlo方法模擬了低溫分子束源(5K)的靜電四極彎曲導引過程,并且采用逐步降低兩段導引電壓的方法實現(xiàn)冷分子束的產(chǎn)生。在兩個彎曲導引電壓分別為±1KV和±0.5KV的條件下,得到了溫度為Tz=301mK、Tp=28

4、.6mK (效率為9.0×10-4)的冷分子束。模擬結(jié)果證明,使用緩沖氣體冷卻的低溫氣源能夠提高導引效率,同時配合更低地導引電壓可以獲得更冷地分子束,甚至有望到1mK以下。 本文在實驗上實現(xiàn)了室溫下(300K)CH3CN連續(xù)分子束靜電彎曲導引及其低通能量濾波。介紹了實驗裝置中的分子束束源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、導引組件、脈沖高壓裝置及時序控制系統(tǒng)、飛行時間質(zhì)譜探測系統(tǒng)等。測量了導引后的分子束縱向、橫向溫度和導引效率,并且與理論模擬結(jié)果進

5、行了比較,取得了實驗與理論相一致的結(jié)果。在束源壓強50Pa,導引電壓±1KV的條件下,得到了Tz=520mK、Tp=42.3mK的冷分子束。通過變換導引電壓和束源壓強,發(fā)現(xiàn)溫度的變化過程與電壓成正比,相對導引效率與電壓的二次方成正比這與理論預言的規(guī)律一致。本文還從理論和實驗上研究了冷分子束的發(fā)散角,在束源壓強50Pa,導引電壓±4KV的條件下,得到發(fā)散角為θ=11.38。。我們還研究了發(fā)散角與導引電壓的關系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著導引電壓的增大,

6、發(fā)散角先是指數(shù)衰減,然后趨向-定值。本文還從理論上研究了靜電六極桿對分子束的聚焦或準直效應。從第三章的理論分析和第四章的實驗結(jié)果出發(fā),利用Monte-Carlo方法模擬了彎曲導引后的低溫射流分子束的六極桿聚焦和選態(tài),獲得的結(jié)果與六極桿的聚焦和選態(tài)理論基本符合。從而為以后的分子囚禁和量子操控提供了理論參數(shù)依據(jù)。 本文還提出了一種新型的利用方形載流導線列陣構(gòu)成的冷原子或冷分子表面磁光晶格和磁晶格方案。改變導線電流及縱向和橫向的偏磁場