摘 要：將分子的冷卻分為直接冷卻和間接冷卻，并分別對直接冷卻機制下的緩沖氣體冷卻、分子Stark減速冷卻和蒸發(fā)協(xié)同冷卻，間接冷卻機制下的光締合技術(shù)、光學Feshbach共振技術(shù)和磁場可調(diào)諧的Feshbach共振技術(shù)進行了描述。

關(guān)鍵詞：超冷分子 分子結(jié)構(gòu) 振動轉(zhuǎn)動光譜

中圖分類號：O561 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（a）-0065-02

將溫度較高的急速冷卻，使分子的溫度達到mK量級，此時分子的運動幾乎中止，就形成了超冷分子。超冷極性分子技術(shù)的實際應(yīng)用十分廣泛，如：研發(fā)新式化學反應(yīng)和反應(yīng)過程生產(chǎn)設(shè)計材料，改善能源產(chǎn)品，開發(fā)量子計算新方法（如用帶電的分子作為量子字節(jié)），思考新的應(yīng)用于精確測量的方法（如光學分子鐘或是用分子系統(tǒng)代替標準模型來探尋新的物理理論），提高人們對冷凝物質(zhì)的特殊現(xiàn)象，諸如：異常磁阻（提高數(shù)據(jù)存儲容量和處理速度關(guān)鍵），超導性能（提高半導體電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵）等。冷分子所帶來的超高分辨光譜也可用于研究手性分子（chiral molecule）對映異構(gòu)體間（enantiomers）的差別，而這種差別可能是分子內(nèi)部弱相互作用的一種表現(xiàn)[1，2]，并將可能解釋生化系統(tǒng)中左旋和右旋氨基酸分子間的不均衡性。分子內(nèi)部振轉(zhuǎn)能級躍遷的精確測量強烈依賴于質(zhì)子和電子間的質(zhì)量比（mp/me），因此可用于測量基本常數(shù)隨時間的演變，而這種演變正是宇宙膨脹的結(jié)果[3]。冷分子帶來的探測光和樣品長相互作用時間使得我們可以直接測量電子或振動激發(fā)態(tài)壽命[4]。

1 直接冷卻分子技術(shù)

1.1 緩沖氣體冷卻技術(shù)

緩沖氣體冷卻最早是由哈佛大學的J.M.Doyled小組提出的。他們利用低溫的氦氣作為緩沖氣體，通過與樣品氣體的彈性碰撞實現(xiàn)了對CaH分子的初步冷卻。該技術(shù)適用于任意可以同氦氣發(fā)生碰撞的分子，所以絕大多數(shù)種類的分子都可以采用這個方法進行預冷，如Ne-N2O[5]，CaF，NH，YbF等。

經(jīng)過同緩沖氣體碰撞冷卻后的分子會被裝載入一個磁阱中，然后經(jīng)由導引技術(shù)產(chǎn)生低溫下的冷分子束（因為He氣的溫度為4.2 K，故產(chǎn)生的分子束的溫度在4K左右）。具體的操作流程是：先將樣品分子氣體裝入一個冷的隔離室，室內(nèi)預先充滿了低溫的氦氣或者氖氣。樣品分子會同載氣分子在隔離室內(nèi)發(fā)生碰撞相互作用，經(jīng)過一段時間之后，它的轉(zhuǎn)動能量和平動能量都會降低到緩沖氣體的水平。為了提取到純樣品分子，在隔離室的出口處需要放置彎曲的波導管，使得只有運動速度非常緩慢的分子才能被順利導引而到達最終的目標位置。

1.2 分子Stark減速技術(shù)冷卻分子

分子的Stark減速最早是由Meijer小組在CO分子中實現(xiàn)的。該技術(shù)的基本原理是基于極性分子同電場之間的偶極相互作用。當極性分子束進入電場區(qū)域的時候，處于適當?shù)膬?nèi)部量子態(tài)的分子就會獲得一定的Stark能量，而這一部分能量來自于分子本身動能的減少。如果電場在分子離開前撤去的話，分子便不會重新獲得所失去的動能，它的速度就會減小。如果讓分子通過這樣一系列級聯(lián)的電場，分子的速度會一直不斷地被減小直到靜止。該方法在實驗上實現(xiàn)起來比較簡單，只需要較好的超聲分子束源，冷卻溫度的極限一般在10 mK左右。

在Stark減速的過程中，首先將樣品分子氣體和載氣（如氙或氦等稀有氣體）一起通入一個脈沖閥中。通過稀有氣體大分子同樣品分子的碰撞，可以實現(xiàn)對樣品分子的預冷。然后經(jīng)由脈沖閥噴出，形成超聲冷分子束。該分子束的橫向線寬會被壓窄，經(jīng)過脈沖閥的膨脹效應(yīng)也會使絕大多數(shù)的分子位于各自的基態(tài)上面，從而使得分子的內(nèi)部自由度得到相應(yīng)的冷卻。當超聲冷分子束形成之后，將其引入正交排布的極性電場區(qū)域。由于極性分子具有較大的電偶極距，因此在電場的作用下會產(chǎn)生和運動方向相反的偶極力，分子在電場中運動時會一直處在減速的狀態(tài)。當分子運動到一4Ain3yU7mbIFbMo8s+T5PnseF23KNQIkiRJipmiipmI=對電極的中央，此處的電勢最大，如果這時候撤去電場，分子就會保持這個最小的速度繼續(xù)做勻速運動。運用多對類似的電極排列，分子會一直處在爬坡的階段，實現(xiàn)有效的分子冷卻。到目前為止，該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于產(chǎn)生不少種類的冷分子樣品，例CO，OH，ND。

1.3 蒸發(fā)協(xié)同冷卻技術(shù)

當緩沖氣體技術(shù)和Stark減速方法都無法令分子系綜進入超冷區(qū)的時候（

2 分子的間接冷卻

2.1 光締合技術(shù)

由Thorsheim等人最早提出的光締合現(xiàn)象，可以直觀地解釋為一對相互碰撞的原子吸收了一個特殊頻率的光子而被激發(fā)到一個較高的分子能級的過程。直接光締合產(chǎn)生的分子往往是被高度激發(fā)的，壽命非常短，易于發(fā)生自發(fā)輻射而衰減到一系列較低的能態(tài)上，或是退締合成為自由原子對。隨著雙色光締合技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)可以成功的將產(chǎn)生的分子通過受激拉曼輻射相干地轉(zhuǎn)移到振動的基態(tài)上，同時又可以大大地保持樣品氣體相空間的密度。

光締合是通過光締合（PA）激光和超冷銫原子相互作用實現(xiàn)。光締合激光器是一臺鈦寶石激光器（Coherent MBR110）。其線寬小于100 kHz。其頻率可以在40 GHz范圍內(nèi)連續(xù)掃描，實驗中光締合光最大輸出功率為600 mW。將光締合光用透鏡聚焦。使其在冷原子云區(qū)聚焦到500 m，將冷原子云全部覆蓋，當光低合在掃描過程中其紅失諧頻率接近銫原子6S（F=4）6P（F’=5）躍遷時，利用中性密度濾波片將它的功率逐漸衰減，避免光締合光對磁光阱的干擾。光締合的頻率在6P原子漸進態(tài)限之下很寬的范圍內(nèi)掃描（相對于原子躍遷線紅失諧40 cm）。實驗中把銫原子6S（F=4）6P（F’=5）躍遷線作絕對頻率標準。此頻標用波長計（WS/7R）測量，其精密度為0.002 cm。在實驗中利用雪崩光電二極管（Hamamatsn Si APD，S3884）探測冷原子的熒光信號。

2.2 光學Feshbach共振技術(shù)

由磁場可調(diào)諧的Feshabch共振技術(shù)所引申出來的光學Feshbach共振，也是近十年來冷原子分子物理領(lǐng)域非常熱門的研究方向之一。這個想法最早是由Fedichev和Bohn等人相繼提出的，他們建議用調(diào)制光場的方法來改變原子間的散射長度。此后這個想法為多個小組在實驗和理論上證實。

當散射長度是正值時，原子間的相互作用是排斥的；當散射長度是負值時，原子之間的作用是吸引的；而當散射長度調(diào)到零值時，原子之間就不存在任何相互作用。光學Feshabch共振的原理很類似于磁場的Feshbach共振，就是運用光場的手段使得自由原子的散射態(tài)耦合到分子的束縛態(tài)的過程。

2.3 磁場可調(diào)諧的Feshbach共振技術(shù)

Feshbach共振作為一種量子力學的散射共振，最早是在核物理中被發(fā)現(xiàn)的。涉及冷原子氣體，與磁場Feshbach共振有關(guān)的碰撞現(xiàn)象最早是在自旋極化的氫和氘系統(tǒng)里面被預言的。目前，用磁場Feshbach共振技術(shù)來產(chǎn)生超冷雙原子分子的方案已經(jīng)為很多實驗小組用于Na，Li，LiK和KRb等同核或異核分子體系中。

與傳統(tǒng)的熱原子氣體不同，對于超低溫下的原子系綜，它的密度要較空氣低5個數(shù)量級，溫度一般在K，這使得原子之間兩體碰撞的總能量非常接近束縛態(tài)分子的結(jié)合能。Feshbach共振效應(yīng)發(fā)生在當兩個碰撞的原子在外部可調(diào)的磁場作用下，它們耦合的總能量與分子的束縛態(tài)能量完全相等的時候。在共振點附近，原子問的碰撞參數(shù)包括散射長度，散射截面等都會由于磁場的調(diào)諧作用而發(fā)生劇烈的變化。

Feshbach共振理論的基本思想在于考慮雙通道（開通道和閉通道）之間存在耦合時兩個原子之間的碰撞行為。它的物理機制是通過調(diào)節(jié)外加磁場，使入射原子的總能量與束縛態(tài)分子的能量非常接近甚至相等。在有效的共振寬度內(nèi)，原子之間的散射長度可以從無窮小變化到無窮大。對于堿金屬原子來說，由兩個原子間的最外層電子自旋可以形成單重態(tài)或是三重態(tài)。一般情況，單重態(tài)的本征能量要遠小于三重態(tài)的能量。

3 結(jié)語

激光冷卻的基本條件是：（1）必須存在一個簡單的多能級系統(tǒng)（如二能級或三能級系統(tǒng)）。（2）在這個多能級系統(tǒng)中，光子的“吸收-輻射”躍遷循環(huán)必須是封閉的。（3）這一躍遷循環(huán)過程必須是耗散的，并且是可以多次重復的。由于中性原子在共振或近共振光場中較為穩(wěn)定，而且能級簡單，采用一個或兩個激光束就能滿足上述激光冷卻條件，在大量的躍遷循環(huán)過程中實現(xiàn)光子與原子間動量的有效交換，從而導致原子運動速度的降低（原子溫度冷卻），目前原子冷卻溫度已達0.5 nK。

在實驗室里實現(xiàn)冷分子的實驗方法、分子種類、分子的最低溫度、最多的分子數(shù)目歸納如表1所示。從表中我們可以看出，到目前為止，在實驗室里產(chǎn)生冷的化學穩(wěn)定分子束（冷分子團）的最低溫度可以達到幾個mK的量級，同時得到最多的冷分子密度為107/cm-3。

參考文獻

[1]D·W·Rein.Some remarks on parity violating effects of intramolecular interactions[J].J.Mol.Evol.1974，4：15-22.

[2]V·S·Letokhov.Narrowing and frequency tuning of positronium anni halation line by laser field[J].Phys.Lett.1975，53A：275-276.

[3]J·P·Uzan.The fundamental constants and their variation：Observational status and theoretical motivations[J].Rev.Mod.Phys.2003，75：403-456.

[4]S.Y.T.van de Meerakker，N.Vanha ecke，M.van der Loo，G.Groen enboom，and G.Meijer，Direct measurement of the radiative lifetime of vibrationally excited OH radicals[J].Phys.Rev.Lett.2005，95：013003-013200.

[5]Rui Zheng，Desheng Zhu，Yu Zhu，et al.Rovibrational spectrum of the Ne–N2O van der Waals complex in the 1285cm-1 region[J].J.Mol.Spectro.2010（263）：174-177.