为了研究电子固有电偶极矩 (electron Electric Dipole Moment，eEDM)，我们用激光冷却和囚禁大质量的多原子分子。( 注：“大质量”是指含有重核的多原子分子，例如 Sr 或 Yb 。大质量带来的相对论效应会让分子对eEDM更灵敏。而所谓多原子分子是原子个数大于两个的分子。)
您可以在此阅读Physics World对我们的相关的报道。
目的
为什么我们想寻找电子的固有电偶极矩 (eEDM)？尽管标准模型在描述物理世界有很多成功，但其仍然有不少局限性。比如，物理学家们发现正常物质的数量远大于反物质的数量，而标准模型却无法预测解释这种现象。要想解释 正反物质的不对称性，我们就需要寻找新的违反时间反演不变性的相互作用 [1]。而电子 的固有电偶极矩 (eEDM) 就是一种直接违反时间反演不变性的体现 [2]。近几
十年来的进 展已经证明重原子和分子对电子 EDM 具有非常高的敏感性 [3-6]。
PolyEDM – 我们的优势
电子电偶极矩（eEDM）实验的核心就是在有电场的情况下，找出一个由于固有电偶极矩导致的电子能级位移。而为了测得更精准，我们的实验需要有大电场、长相互作用时间，以及多分子数。而以上这些需求都可以在激光冷却和囚禁的大质量中性分子体系得以实现。不仅如此，多原子分子 (相对于双原子分子) 通过其内部的共磁力仪态而具有更好的系统误差抑制。总的来说，多原子分子是目前唯一一个同时具有以上所述所有优点的平台。
举个例子，在光阱中有106个相干时间为10秒的分子，在一周的数据采集分析之后，我们将能够探测PeV级别的时间反演不变性破缺。这远远超出了现有或可想象的加速器的能量范围。
多原子分子作为 eEDM “探针”
可激光冷却的多原子分子非常适合此类实验。 含有重核的多原子分子 (例如 Sr 或 Yb)，对电子 EDM 具有较大的相对论增强作用 [8]。 同时，类似SrOH 的多原子分子与 CaF分子的电子能级结构类似 ，而 CaF 的激光冷却和光捕获已经得到证实 [9-12]。 这说明SrOH实现激光冷却和光捕获是可行的。目前为止, 我们的团队已经展示了轻分子CaOH 和 重分子SrOH 的激光冷却和光捕, 甚至对 YbOH的激光冷却 [13,14]。
这些分子结构的一个特别重要的方面是存在由核轨道角动量产生的奇偶能级对 (Parity Doublet) [7]。比如在SrOH 的弯曲模式中有一对相距约 20 MHz 的奇偶能级对。在实验室能轻易实现的较小电场 (约 100 V/cm)足以混合这些状态，使分子沿着或逆着实验室电场被极化。 另一方面，在分子内部其实蕴含了一个的大电场，在Sr 核附近的电子会与 1 GV/cm 量级的内部电场相互作用 [8]。 通过选择性地使分子沿着或逆着实验室电场被极化，电子固有电偶极矩和分子内部电场的相互作用也会被反转。在这两种情况下（分子沿着或逆着实验室电场）分别进行自旋进动测量可以抑制潜在的系统误差。 更复杂的多原子分子 (如 SrSH 或 YbOCH3) 由于刚体旋转而具有相似的奇偶能级对，而且它们的奇偶能级对的寿命都超过 10 秒，保证了较长的相干时间。
实验工作
我们首次实现了 YbOH 激光冷却，将分子束的横向温度从 20 mK 降低至 < 600 uK。 在下图中，分子束的明显压缩 (图(a)中显示未受干扰) 表明应用蓝色失谐激光时发生冷却 (图(c))。 另一方面，当激光发生红色失谐时，明显的加热特征很明显 (图 (b))。 这项工作最近已被 NJP 作为Fast Track Communication接受。 您可以在此处阅读有关YbOH激光冷却的信息。
与此同时，我们与亚利桑那州立(ASU)大学的 Steimle 小组合作，首次观察到了 YbOCH3 分子。 我们的初步测量表明，YbOCH3 具有相对对角的Franck-Condon factors，是激光冷却和捕获的另一种候选分子。
References
[1] A. D. Sakharov, "Violation of CP Invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe." JETP Lett. 5, 24-27 (1967).
[2] E. D. Commins and D. DeMille, "The Electric Dipole Moment of the Electron," in Lepton Dipole Moments. Advanced Series on Directions in High Energy Physics: Vol. 20. Robers, B. Lee, Ed. https://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/7273 (2009).
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[14] B. L. Augenbraun, Z. D. Lasner, A. Frenett, H. Sawaoka, C. Miller, T. Steimle, and J. M. Doyle, "Laser-cooled polyatomic molecules for improved electron electric dipole moment measurements," NJP Fast Track Communication 22, 022003 (2020).