製備量子態可控的超冷極性分子離子的研究

《製備量子態可控的超冷極性分子離子的研究》是依託中國科學院精密測量科學與技術創新研究院，由童昕擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：製備量子態可控的超冷極性分子離子的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：童昕
• 依託單位：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院

項目摘要

製備並研究超冷（T~1mK）分子離子已經成為目前在超冷物理與超冷化學領域最前沿、最具有挑戰性的科學研究方向之一。申請人曾在國際上首次利用協同冷卻和閾值光電離相結合的方法，在離子阱中成功製備了單一量子態的非極性超冷氮(N2+)分子離子，其量子態純度接近100%，量子態壽命達到15分鐘以上（Phys. Rev. Lett. 105,143001 (2010)）。本項目將套用此技術於具有永久偶極矩（極性）的分子離子（如HD+）上,研究在協同冷卻過程中電荷與電偶極矩之間相互作用對振轉量子態的影響,並利用低溫恆溫器延長振轉量子態壽命,最終實現對極性分子離子內部和外部自由度的全面精確控制。所製備的超冷極性分子離子將具有在空間上靜止（囚禁時間~小時，動能~mK）和較長量子態壽命（~分鐘）的特點，這將為測量超高精度分子離子光譜和研究超冷環境下碰撞反應中的量子效應奠定實驗基礎。

結題摘要

為了實現分子離子振轉光譜的精密測量，就必須對其內部與外部自由度進行全面的精確控制。通過本項目的支持，課題組實現了將利用雷射冷卻的鈣離子對具有偶極矩的氫分子HD+進行協同冷卻，使其平動能降低至毫開爾文量級，實現HD+在實驗室坐標空間上的基本靜止狀態，消除都卜勒效應對其精密振轉光譜測量的影響。而HD+的內部振轉自由度的控制則是利用多光子的共振加強閾值光電離的方法，將分子束中的中性HD分子電離，並實現製備HD+於的單一振轉量子態上，為獲得最佳的光譜測量信噪比奠定基礎。由以上手段得到的幾乎不受外界環境干擾、可穩定囚禁（囚禁壽命〉小時）並具有長量子態壽命（〉分鐘）的HD+體系，就可保證其振轉光譜頻率測量精密進入10E-10量級。在本項目支持的基礎上，課題組獲得了較好的成績，建立了超冷分子離子實驗平台，並且確立了通過氫分子離子高精度光譜直接測量質子-電子質量比的進一步研究課題。該衍生課題獲得了基金委重大研究計畫以及中科院戰略先導（B類）的進一步支持，目前已經在國際上首次獲得了氫分子離子v=0->6的泛頻躍遷頻率，與理論計算符合。通過進一步提高測量精度，有望在ppb量級精度上實現質子與電子質量比的直接測量。