CaF - 超冷双原子分子物理

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图0：第一代CaF激光冷却实验装置

为了研究超冷分子，在CaF激光冷却实验中，我们先把分子加载到磁光阱（MOT）中，然后把超冷分子转移到一个光阱或光镊中进行进一步的冷却。之后我们就可以研究原子与分子，或分子与分子之间的低温碰撞性质，以及使用超冷双原子分子进行量子模拟和量子计算的研究，同时也为精密测量的实验进行了技术积累。

实验的第一步是使用缓冲气体冷却方法将双原子自由基分子氟化钙（CaF）载入磁光阱中（关于缓冲气体冷却的细节，见[1-3]）。我们首先使用脉冲Nd:YAG激光溅射放置于缓冲气体冷却腔中的金属钙靶材，同时将六氟化硫（SF6）气体通入腔内。溅射产生的钙原子将会和六氟化硫反应，发生化学反应生成CaF。这些高温的CaF分子和低于3K温度的缓冲气体（氦气）碰撞达到热平衡，并从一小孔离开腔体，形成分子束。对于单级缓冲气体冷却，CaF分子束的平均速度高达160m/s，然而理论估算的CaF磁光阱捕获速度只有10m/s的量级，因此我们还需要对分子束进行减速。我们使用白光减速或者啁啾减速的方式来实现分子束的减速，也就是在分子束前进的相反方向发射一束减速光，使得分子共振吸收光子到达激发态，并自发辐射回到电子基态。为了使得减速的分子始终和该光谐振，我们需要补偿分子运动造成的多普勒频移，白光减速通过展宽激光的频谱到几百MHz的宽度来保证始终存在能和分子谐振的频率的光，而啁啾减速则在5ms内扫描冷却光的频率达到相同的目的。另一个激光冷却分子的挑战是，由于可激光冷却的分子具有倒置的角动量结构，磁子能级存在暗态，造成光子散射循环无法持续。为了解决这个问题，我们以非常高的速度改变磁光阱的磁场梯度方向（大约1MHz），并且同步改变磁光阱冷却光以及减速光的偏振，使得分子离开暗态（该方法称为射频磁光阱），最终有超过1百万个分子被MOT捕获。

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图1：第二代CaF射频磁光阱，使用Google Pixel拍摄

下一步，我们对自由空间中的分子团进行Λ增强的灰色光学黏团冷却，将分子的温度冷却到大约4uK，远远低于多普勒极限。这种亚多普勒冷却的机制在光阱中依然能工作。当我们开启一束大功率的1064nm波长的光阱激光，使之与分子团重叠，并保持冷却光照射，即可将超过1万个分子载入到光阱中。

CaF分子在被囚禁在光阱里之后，将被转移到一个用于科学实验的高真空玻璃腔中。现有的超冷原子转移方案因为阱深和速度等诸多限制，并不适合于转移激光冷却的分子。例如，室温环境的黑体辐射会激发CaF分子到更高的振动能级，这些振动能级具有和激光冷却所需的能级相反的宇称，因此室温环境光阱中CaF分子的寿命（可散射光子的寿命）限制在了约5秒左右，这对转移的速度提出了很高的要求。由于现有的冷却手段的限制，光阱中超冷分子的温度也相对于超冷原子要高，这就需要在现有最大激光功率的限制下产生一个足够深的势阱来保证转运过程的高效率。我们为此提出了一种结合了可调透镜光阱和光晶格的混合式的转移方案。在这个方案中，可调透镜产生的光阱具有较小的束腰大小，在将分子从光学黏团载入光阱时提供够的阱深，在转运的过程中则能平衡重力的影响。而光晶格则是由可调透镜光阱光束和对向发射的同频率的大束腰高斯光束干涉产生。当改变两个光束之间的频率差时，晶格便开始载着分子移动，并能提供了较大的加速度，这使得高速转移成为了可能。使用这个方案，我们成功地将CaF分子在50毫秒内转移了46cm的距离，并且保证了较高的效率。