超冷里德堡分子的制备和操控

Rydberg atoms have an electron in a state with a very high principal quantum number, which exhibit unusually long-range interactions and stong dipole moments. Two such atoms are bonded by multipole forces and form Rydberg molecules with very large internuclear distances.The other bonding interaction comes from the scattering of a Rydberg electron from a ground-state atom, which can bond a ground-state atoms to the Rydberg atoms and yields a giant molecules that have the size of several thousand Bohr radii.This kind of molecules is very sensitive to external electric field, which can be used to detect very weak field. The investigation pave the way towards the formation of more complex atomoic and molecular systems.. This project will propare the ultracold Rydberg molecules with two-photon photoassociation, obtain the vibrational-rotational spectra of Rydberg molecules and invesitgate the machanism and spectra characteristic of ultracold long-range Rydberg molecules in ultracold atomic system. The inversigation mainly include four parts: 1)a study of the long-range interaction of Rydberg atoms and the pontential of Rydberg molecules in order to find the condition of forming Rydberg molecules in theory.2) proparing and forming ultracold long-range Rydberg molecules by using two-photon photoassociation in experiment.3) measurements of vibrational spectrum of Rydberg molecules and investigation of their froming machanism and fundermental properties.4) Exploring implementation of large polyatomic Rydberg molecules.

里德堡原子是外层电子处于主量子数很大的原子态的原子,与基态原子相比具有很强的长程相互作用和很大的电偶极矩。里德堡电子对其周围的基态原子的散射可吸引基态原子并将其束缚在里德堡原子的周围，形成由一个里德堡原子和一个基态原子组成的半径为几千个玻尔半径的里德堡巨分子。这种巨分子对外界非常敏感,可用于微弱信号的测量和检测.并将为研究复杂的巨分子系统提供一种新方法和新技术。. 本项目将在超冷原子系统中利用双光子光缔合制备超冷里德堡分子,获得超冷里德堡分子的振转光谱,研究超冷里德堡分子的形成机制。主要研究内容包括：1）理论上数值计算里德堡原子的长程相互作用能和里德堡分子的势能曲线；2）实验上利用双光子光缔合制备超冷长程里德堡分子；3）测量并获得分子的振转光谱及其特征参数，研究其形成机制和光谱特性；4）探索和研究多原子里德堡分子。

里德堡原子是外层电子处于主量子数很大的原子,与基态原子相比具有很强的长程相互作用和很大的电偶极矩,由里德堡原子和基态原子或者里德堡原子形成里德堡分子。与一般的分子不同，里德堡分子是通过低能电子散射或长程van der Waals相互作用束缚而形成弱束缚的巨型分子，具有很多奇特的性质。这种巨分子对外界非常敏感,可用于微弱信号的测量和检测,并将为研究复杂的巨分子系统提供了一种新方法和新技术。..本项目主要从理论和实验上研究超冷里德堡分子的制备和操控。具体的：1.理论上利用第一原理和散射理论分别计算了6S-nS(n=30-45)里德堡分子的势能曲线，研究了势阱深度和平衡核间距与主量子数的关系。2.考虑两个里德堡原子的长程静电多极相互作用,数值计算了nD-nD里德堡分子的势能曲线，这种里德堡分子的原子核间距达到几微米，形成巨型分子，束缚能处于几十到几百MHz量级，具有丰富的能级结构。3.实验上利用里德堡原子EIT实现了里德堡光缔合激光的频率锁定，频率波动小于1MHz；在磁光阱中增加偶极阱提高了超冷原子密度，并利用Stark光谱实现了杂散电场的精确补偿，在MOT区域杂散电场小于1mV/cm。4.里德堡原子在外场中的避免交叉现象可以改变里德堡分子的势能曲线，我们对nS里德堡原子和相邻的多重态形成的避免交叉做了详细的研究，实现了外场调控的绝热/非绝热过程。5.利用双光子光缔合超冷铯原子制备nD-nD(n=60)超冷里德堡分子，获得里德堡分子的振转光谱及其特征参数，研究了形成机制。..经过本项目的实施，建立了一套制备超冷里德堡分子的实验平台，利用失谐双光子激发的方法获得了高分辨电离光谱，解决了实验所需的关键技术问题；理论上提出了一种制备里德堡分子的新方案，对里德堡分子的势能曲线、特征参数和形成机制等做了系统和广泛的研究，完成了项目预期计划研究的主要内容，达到了预期的研究目标。发表相关的SCI论文19篇，其中《Phys. Rev. A》6篇，《New J. Phys.》1篇, 《J. Phys. B》1篇,《J. Phys. Soc. Jpn》3篇，以及其他期刊论文8篇。申报发明专利两个，授权发明专利1个，获山西省自然科学二等奖一项，培养博士生2名，硕士生3名。参加国内外学术会议20人次，同时邀请国内外相关领域的专家来所进行合作交流，促进了我们在超冷里德堡原子分子的研究和进步。