分子激发态势能面、动力学、跃迁偶极矩和激光冷却理论研究

The satisfactory cold of the molecule is the precondition for the quantum computation, the precise measurement and quantum simulation of the molecule. Laser cooling method has been widely used for cold atoms. However, only a few molecules, especially for polyatomic molecules, have been cooled because laser control molecule must be based on the precise potential energy surfaces (PESs), vibrational and rotational energy levels (VRELs) and transition dipole moments (TDMs) of several electronic states. The cooling scheme of a molecule is impossible for a new molecule which precise information on electronic properties is unknown. Generally, the information could be obtained from ab ignition calculations. However, the precise calculations of the PESs, TDMs for several electronic states of the molecule at the same time are also very challenge work. The present project will develop a precise calculational method to obtain the PESs and TDMs for molecular several electronic states as well as their analytical expressions based on the multi-reference configuration interaction, the relativistic quantum mechanics and the diabatic effect with spin-orbit coupling. Then, the VRELs, Franck-Condon factors, radiative lifetimes and the recoil forces of the object molecule are determined by the aid of solving the Schrödinger equation of the molecular nuclear movement by quantum dynamics calculations. Based the results, we will construct the cooling scheme, and predict the expected cooling temperature and the wavelength of the laser to perform the cooling. The findings can provide an initial scheme to obtain the cold molecule experimentally.

分子冷却到足够低温度是应用于量子计算、量子模拟和精密测量的前提。激光冷却原子已很广泛，但能冷却的分子、尤其是多原子分子还相当有限，因为设计分子激光冷却方案需要分子多个电子态的势能面、振转能级和跃迁偶极矩等方面的精确数据。相关数据原则上可由从头计算方法获得，然而高精度计算多个电子激发态势能面和电子态间跃迁偶极矩同样面临挑战。本项目将基于多参考组态相互作用和相对论量子力学等框架，考虑自旋-轨道耦合等非绝热效应，发展高精度同时计算多个电子态势能面和跃迁偶极矩的方法，获得电子基态和激发态相互关联的势能面和跃迁偶极矩，并构建其解析表达式。在此基础上采用量子动力学方法、通过求解分子核运动薛定谔方程，计算各电子态振转能级、Franck-Condon因子、辐射寿命及激光与分子相互作用回复力，从而建立激光冷却方案、确定激光冷却可达到的预期温度和所需的激光波长等物理量，为激光冷却相应分子实验方案提供理论依据。

冷却到足够低的温度是分子在量子计算、精密测量和量子模拟等方面应用的前提。利用多谱勒力直接激光冷却原子已很广泛，但因分子的结构更加复杂，已实现冷却的分子、尤其是多原子分子还相当有限。设计分子激光冷却方案需要分子多个电子态的势能面、振转能级和跃迁偶极矩等方面的精确数据。从头计算方法原则上可以获得相关数据，然而高精度计算多个电子激发态势能面和电子态间跃迁偶极矩同样面临挑战。大量天然存在的分子并不满足激光冷却需要的电子态和势能面结构，通过构建势能面计算振转能级、Franck-Condon因子来发现候选分子的试错法来发现合适的分子计算量太大。本项目提出了一种基于优化分子的基态和电子激发态的稳定几何结构和计算相应的振动频率，通过对大量分子的搜索发现激光冷却候选分子的方法。并用它搜索了包含OH原子的数十个三原子分子，发现了所有已经报道的和两个新的符合激光冷却条件的分子SOH和SeOH。进一步基于多参考组态相互作用方法，获得了这些分子的基态和电子激发态相互关联的势能面，并基于神经网络构建其解析表达式。在此基础上采用量子动力学方法求解分子核运动薛定谔方程，计算各电子态振动能级、辐射寿命，并用自己设计的程序计算Franck-Condon因子，从而建立了直接激光冷却方案、预测激光冷却能够达到的温度和所需要的激光波长等物理量，证实了搜索出的分子的确符合直接激光冷却的条件，为激光冷却这些分子的实验方案提供理论依据并为发现更多合适直接激光冷却三原子分子提供了有效方法。基于包括自旋-轨道耦合、相对论效应，同时计算多个电子态势能曲线和跃迁偶极矩方法，构建了CuH,AuH和SrCl等多个双原子分子的直接激光冷却方案。针对一些基态和电子激发态势能曲线平衡位置差距较大而不具有高对角化Franck-Condon因子的分子，提出了一种外电场调控双原子分子电子态结构的方法，使这类分子成为具备直接激光冷却条件的候选分子，并将线性回归方法用于调控电场的优化，确定了调控LiH等分子需要的电场值、成功构建出了直接激光冷却方案。