新颖高效静电Stark减速与囚禁方案的实验研究

Electrostatic Stark deceleration is one of the most effective tool to produce slow and cold molecules. However, the main disadvantage of the conventional Stark decelerator is the resulted molecule number and their number density are relatively low, which seriously hinder its applications in many fields. The novel Stark decelerator proposed in this program could greatly enhance the number and number density of the decelerated packets, and the slowing efficiency is expected to increase by about one order of magnitude. The main research includes: 1) designing the system of the novel electrostatic Stark deceleration, which contains a set of decelerator composed of 600 ring electrodes, electric circuit of high voltage switches and control system; 2) experimental study of Stark deceleration with the novel decelerator, including the subjects of various experimental parameter dependence of the finial velocity, translational temperature and cold molecule number of the resulted packets. 3) experimental study of direct electrostatic trap of Stark decelerated molecular packets in the end of the decelerator, including the subjects of loading efficiency, lifetime of trap, adiabatic and nonadiabatic cooling and so on.

静电Stark减速技术是制备慢速冷分子的有效途径之一。然而目前国际上传统减速器的主要缺点是减速波包的分子数目和分子密度比较低，严重影响到其在很多领域的应用。本项目提出的新颖Stark减速方案可大幅度提高减速波包的分子数目和分子密度，减速效率可望提高约一个数量级。本项目的主要工作有：1）自行设计与研制新颖静电Stark减速系统，包括一套600级环形电极的静电Stark减速器、高压开关电路以及控制系统等；2）开展新颖Stark减速器的实验研究。研究减速波包末速度、平动温度以及冷分子数目与各种实验参数的依赖关系。3）开展将Stark减速分子直接囚禁在减速器末端的实验研究，研究分子的装载效率、囚禁寿命、绝热冷却和非绝热冷却等物理问题。

冷分子是近20年发展起来的新兴研究领域，从20世纪末到现在, 一系列制备冷分子的技术应运而生, 从缓冲气体冷却到蒸发冷却, 从静电斯塔克减速再到激光制冷, 这些方法可以制备冷分子(温度小于1 K)甚至超冷分子(温度小于1 mK)。其中静电斯塔克减速是从超声分子束中获得冷分子的重要手段。经斯塔克减速后的分子可以被囚禁或用于冷碰撞、精密测量等领域，也可以作为其它技术如激光冷却、蒸发冷却等进一步冷却的起点。囚禁于阱中的分子可获得更长的相互作用时间, 因而在精密测量中可获得更高的分辨率；阱中的分子与外界隔离, 从而可以被冷却到更低的温度。因此分子阱已广泛应用到许多研究领域。本项目以“新颖高效静电斯塔克减速与囚禁方案的实验研究”为中心，主要开展了如下研究工作：（1）我们提出了一种新颖高效的环形减速器方案。该减速器既有国际上最先进的行波减速器的诸多优势，又有传统减速器的简便操作，因此更易实现，更易推广；并且，在较大加速度下，我们的环形减速器比行波减速器减速效率更高。目前我们也开展了该减速器的相关实验工作，得到了一些初步实验结果；（2）在理论上我们提出了一种能量连续可调的分子同步加速器方案，完全解决了目前国际上分子同步加速器存在的两个问题，即存在截止速度和不能储存重分子。另外，我们的同步加速器还可以对分子进行多种操控，包括加速、减速、聚束以及直接囚禁；（3）我们提出了一种基于芯片的表面二维静电晶格方案。该晶格既可囚禁轻极性分子也可囚禁重极性分子，并且晶格高度可在较大范围内调节。该静电晶格可应用于量子计算、分子与表面相互作用、 低维物理等研究领域。（4）我们提出了一种可控的 Ioffe 型表面微电阱， 其电场强度处处不为零, 可有效避免分子的非绝热损失。通过调节电压或电极宽度可在较大范围内调节势阱中心电场强度和势阱高度。该表面微电阱不仅可用于分子芯片的集成, 而且可用于精密测量、表面冷碰撞以及表面量子简并气体的制备等。.该项目的研究为极性分子的斯塔克减速与囚禁提供了一种更简单有效的方法，为冷分子制备、冷碰撞以及精密测量等研究提供了一个良好平台。迄今为止，在国际重要学术刊物已发表学术论文 8 篇，其中7篇SCI 论文,1篇核心期刊。待发表论文 3 篇。