利用Feshbach共振增强光缔合产生超冷分子的研究

Ultracold molecules have wide applications in many research fields, such as precision measurement, quantum simulation, ultracold chemistry and quantum information. The efficient formation of ultracold ground state molecules is the prerequisite and key for the applications of ultracold molecules on many research fields. This project focuses on the problem of the low formation efficiency of ultracold molecules induced by the short lifetime and easy dissociation for Feshbach molecules involved in the current formation process of ultracold ground state molecules. We use the combination mechanism of the Feshbach resonance-enhanced photoassociation and the stimulated Raman adiabatic passage to establish the model of the directly stimulated Raman adiabatic passage of ultracold Cs atoms near the Feshbach resonance. By studying the physical mechanism of the Feshbach resonance-enhanced photoassociation of ultracold Cs atoms, we increase the formation efficiency of excited molecules through the photoassociation of ultracold Cs atoms and overcome the influence of Feshbach molecules on the formation rate of ultracold ground state molecules, and realize the efficient formation of ultracold ground state Cs molecules from ultracold Cs atoms. The implementation of project establishes the new method of the efficient formation of ultracold molecules and lays the more solid foundation for the applications of ultracold molecules on many related research fields, such as the manipulation of quantum states.

超冷分子在精密测量、量子模拟、超冷化学及量子信息科学等研究领域有着广阔的应用前景，高效制备基态超冷分子是开展相关研究的前提与核心任务之一。本项目针对目前基态超冷分子制备过程中由于Feshbach分子寿命短且易解离导致分子产率低的问题，采用Feshbach共振增强光缔合与受激拉曼绝热转移相结合的方案，构建超冷铯原子在Feshbach共振处直接受激拉曼绝热转移的模型，研究Feshbach共振增强超冷铯原子光缔合的物理机制，提高超冷铯原子光缔合形成激发态分子的效率，克服Feshbach分子对基态超冷分子产率的限制，实现从超冷铯原子到基态超冷铯分子的高效转移制备。项目的执行将开辟高效制备超冷分子的新途径，为超冷分子在量子态操控等相关研究领域的应用奠定更为坚实基础。

超冷分子具有丰富的振动能级和转动能级，是一个复杂且具有多个可操控内部自由度的物理系统，在量子模拟、量子计算、精密测量和超冷化学等众多研究领域有着极为重要的科学价值和应用前景。因此，开展高效制备超冷分子的研究是将超冷分子应用到相关研究领域的关键。本项目通过将Feshbach共振和光缔合技术有效结合，开展利用Feshbach共振增强光缔合产生超冷分子的研究。建立了一套高真空实验系统，采用三维简并拉曼边带冷却技术制备了低温<1μK的Cs原子样品，通过磁悬浮技术高效装载到交叉的光学偶极阱中。发展了对超冷Cs原子d波Feshbach共振的精确操控与调节技术，获得了超冷Cs分子的高分辨光缔合精密光谱，并进一步推广了精密光谱测量技术。采用Feshbach共振极大的提高了光缔合率，实现了利用Feshbach共振增强光缔合增加超冷分子产率的目标，发展了超冷原子-分子耦合系统中的Fano共振理论，揭示了耦合共振跃迁通道间的量子干涉，并很好解释了光缔合率在Feshbach共振处的非对称线型。研究了Feshbach共振对光缔合谱线频移率的影响，发现可以通过Feshbach共振有效减小激发态分子能级的频移，进一步可以提高由光缔合形成超冷分子的效率。制备了3×10^4个温度<50nK的Cs原子BEC，原子数密度增加至3×10^13/cm^3，进一步提高了通过光缔合形成基态分子的产率。本项目为高效制备超冷分子提供了新方法和新技术，为开展超冷分子为介质的量子模拟、量子计算、精密测量及量子化学等方面的研究提供了强有力的技术支持。项目执行期间共计发表SCI收录学术论文16篇，其中包括Phys. Rev. A、J. Chem. Phys.、Phys. Chem. Chem. Phys.等，获授权国家发明专利3项。