冷分子静电表面囚禁及其静电晶格的理论研究

论文摘要

由于冷分子或超冷分子在基本物理问题的研究、基本物理常数的精密测量、高分辨激光光谱学、冷化学反应和冷分子碰撞、分子物质波的干涉计量、量子计算与量子信息处理等方面有着重要的应用，故冷分子的产生及其应用研究得到了快速的发展。本文首先简单介绍了中性分子冷却与囚禁的基本原理、实验结果及其最新进展；然后就极性冷分子的静电表面囚禁及其静电晶格新方案进行了理论研究；最后就本文的研究工作进行了简单总结与展望。本文首先提出了利用单个环形电极在介质板(芯片)表面实现极性冷分子静电囚禁的新方案。金属环形导体平放在介质板上表面，而介质板的下表面接地。如果给金属导体加上一个正高压，则在金属导体的周围将产生的一个非均匀静电场分布，并在介质板上方形成一个中心电场为零的静电阱。由于一阶Stark效应，如果处在弱场搜寻态的分子被装载到这个静电阱中，则将受到一个指向势阱中心的电场偶极力作用，从而冷分子将被囚禁在这一静电阱中。我们利用有限元软件计算了该囚禁方案在介质上方的空间电场强度分布(和相应的CO分子的Stark势分布)，分析了静电场及其Stark势与该方案几何参数间的关系，研究了电场最小值位置与该方案几何参数间的关系。我们还从三个方面分析了该表面囚禁方案的可行性，提出了一种有效的装载方法，并对冷分子装载的动力学过程进行了蒙特卡罗模拟，得到了一些重要的模拟结果，可为进一步的实验研究提供可靠的理论依据。本文又提出了采用单个方形载荷电极实现极性冷分子静电表面囚禁的新方案。类似地，利用数值计算方法分析了该方案产生的静电场分布与势阱几何参数间的关系，研究了电场最小值位置与该方案几何参数间的关系。接着，我们将方形载荷导线扩展至二维空间，以形成芯片表面的二维(2D)静电晶格，实现极性冷分子的2D微静电表面囚禁，并计算了2D静电晶格的空间电场强度分布及其在x(或y)、z方向的电场分布及其阱深，讨论了这一2D静电晶格方案在集成分子光学及其分子芯片、量子光学、量子计算与量子信息处理等方面的潜在应用。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 第一章 中性分子的冷却与囚禁
• §1.1 引言
• §1.2 中性分子的静电、静磁和激光操控原理
• §1.3 制备冷分子的实验方法及其结果
• §1.4 中性冷分子的囚禁方案、实验结果及其最新进展
• 1.4.1 弱场搜寻态极性分子的静电囚禁
• 1.4.2 极性冷分子的交流静电囚禁
• 1.4.3 采用存储环的冷分子静电囚禁
• 1.4.4 强场搜寻态极性分子的静电囚禁
• 1.4.5 冷分子的微波囚禁
• 1.4.6 顺磁冷分子的静磁囚禁
• 1.4.7 实现连续装载的静电囚禁
• 1.4.8 超冷分子的激光囚禁
• §1.5 本文的研究工作
• 参考文献
• 第二章 采用环行载荷导线实现冷分子静电表面囚禁的新方案
• §2.1 引言
• §2.2 表面静电囚禁方案
• §2.3 理论计算与分析
• 2.3.1 囚禁中心与几何参数的关系
• 2.3.2 环行载荷导线产生的静电场分布与几何参数的关系
• 2.3.3 实验方案的可行性分析
• §2.4 冷分子装载过程的Monte-Carlo模拟
• §2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 采用方形载荷导线的静电表面囚禁及其2D静电晶格
• §3.1 引言
• §3.2 静电表面囚禁方案
• §3.3 理论计算与分析
• 3.3.1 囚禁中心与几何参数的关系
• 3.3.2 静电场分布与几何参数的关系
• §3.4 采用方形载荷导线阵列形成的2D静电晶格
• 3.4.1 2D方形静电晶格方案
• 3.4.2 静电晶格中单个微阱的电场计算和结果讨论
• §3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 总结及其展望
• §4.1 本文研究工作的总结
• §4.2 本文的主要创新点
• §4.3 未来研究工作的展望
• 附录:硕士阶段发表和待发表的论文目录
• 致谢