利用分子电偶极矩进动测量转动的方案研究

Gyroscopes are the tools for measuring the angular rate of rotation of the object. Atomic nuclear magnetic resonance gyroscopes (NMRGs) accomplish rotation detection by measuring a shift in the Larmor precession frequency of nuclear spins in an applied magnetic field. Molecules possess electric dipole moments, and the precession of molecular angular momentum in an applied electric field is analogous to the Larmor precession. However, there is no report about measuring the angular rate of rotation using the precessions of molecular angular momenta, i.e. the precessions of molecular electric dipole moments. The aim of this project is to design a scheme for measuring the angular rate of rotation using the precessions of molecular electric dipole moments in an electrostatic field, basing on the principles of NMRGs. The research contents include the selection of molecular species and rotational state, the methods to polarize electric dipole moments and to detect the precession frequency, and the estimation of the measurement sensitivity of the angular rate of rotation. The results of this project will provide a new idea and method to measure the angular rate of rotation.

陀螺仪是测量物体转动角速度的工具。原子核磁共振陀螺仪通过测量核自旋在外加磁场中拉莫尔进动频率的改变来实现转动的测量。分子具有电偶极矩，其角动量在外加电场中的进动与拉莫尔进动具有相似性，而利用分子角动量进动，也就是电偶极矩进动进行转动角速度测量的研究国内外尚无报导。本项目拟参考核磁共振陀螺仪的工作原理，开展利用静电场中分子电偶极矩的进动来测量转动角速度的方案设计。研究内容包括分子种类和转动态的选择、电偶极矩极化方法、电偶极矩进动频率探测方法、转动角速度测量灵敏度评估。本项目的研究结果可以为转动角速度的测量提供一种新的思路和途径。

转动测量在惯性导航、地球物理以及基础物理等领域有着重要的应用。目前进行转动测量的方法包括机械传感、光纤激光、环形激光、原子干涉、以及原子核自旋进动等。本项目提出了一种利用分子电偶极矩在静电场中的进动来测量转动角速度的实验方案。我们研究了电偶极矩和电极化强度矢量的进动原理，给出了它们在电场中的进动动力学方程。设计了转动测量的具体实验方案，设计了均匀电场的产生方案，并评估了电场均匀性及其对转动测量结果的影响。给出了转动测量灵敏度公式，针对特定的分子种类和转动态计算了转动测量灵敏度。结果表明本方案转动测量灵敏度的基本限制在10^-3 rad s^-1 Hz^-1/2到10^-4 rad s^-1 Hz^-1/2水平，主要受限于分子相对较短的弛豫时间。尽管本方案目前的转动测量灵敏度较低，但是本方案提供了一种转动测量新途径，并可以有多种方法以提高灵敏度。