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在过去的二十年里,自由气相分子外部和内部自由度的有效操控已成为了分子物理领域的一个重要课题。低温下高密度的分子可能呈现出新的有趣的物理或化学现象及其在各种分子实验中的潜在应用激发了人们研究冷分子的兴趣。本文以极性冷分子的静电操控为研究目的,围绕极性冷分子的静电导引、静电分束以及静电Stark减速展开理论与实验研究。
我们提出了一种采用单根载荷导线实现极性冷分子静电导引的新方案。我们推导了空间电场分布的解析表达式,具体分析了空间电场强度、处于亚稳态的CO分子与电场的相互作用势以及分子在势阱中受到的偶极梯度力与导引系统相关参数之间的关系,并简单介绍了该方案在分子光学中的潜在应用。
在静电导引的基础上,我们提出了一种基于Y型载荷导线的静电分子分束器方案。我们分析了空间的电场分布,并利用Monte-Carlo方法数值模拟了弱场搜寻态15ND3分子在分束器中导引、分束的动力学过程。通过改变分束器两输出臂上的电压差,可以方便地实现分束比的调节。
极性分子的静电Stark减速,是近几年来发展起来的一种获得低速冷分子的有效方法。我们以超声了CH3F分子束为研究目标,分析了CH3F分子在外电场中的能级移动、相应的转动态分子布局数；然后利用一个简单的理论模型分析了弱场搜寻态CH3F分子在Stark减速器中的纵向和横向运动,包括相空间稳定区域、减速效率、被减速“分子波包”的平动温度等；最后利用Monte-Carlo方法数值模拟了CH3F分子被减速的动力学过程,并将数值结果和理论模型的计算结果进行了比较。
在理论研究的基础上,我们开展了超声CH3F分子束静电Stark减速的实验研究。我们从无到有搭建了整个静电Stark减速实验系统,并逐步开展了相关实验,包括超声CH3F分子束的形成与测量、超声CH3F分子束的静电导引以及超声CH3F分子束的静电减速。