摘 要：将分子的冷却分为直接冷却和间接冷却，并分别对直接冷却机制下的缓冲气体冷却、分子Stark减速冷却和蒸发协同冷却，间接冷却机制下的光缔合技术、光学Feshbach共振技术和磁场可调谐的Feshbach共振技术进行了描述。
关键词：超冷分子 分子结构 振动转动光谱
中图分类号：O561 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（a）-0065-02
将温度较高的急速冷却，使分子的温度达到mK量级，此时分子的运动几乎中止，就形成了超冷分子。超冷极性分子技术的实际应用十分广泛，如：研发新式化学反应和反应过程生产设计材料，改善能源产品，开发量子计算新方法（如用带电的分子作为量子字节），思考新的应用于精确测量的方法（如光学分子钟或是用分子系统代替标准模型来探寻新的物理理论），提高人们对冷凝物质的特殊现象，诸如：异常磁阻（提高数据存储容量和处理速度关键），超导性能（提高半导体电能转换的关键）等。冷分子所带来的超高分辨光谱也可用于研究手性分子（chiral molecule）对映异构体间（enantiomers）的差别，而这种差别可能是分子内部弱相互作用的一种表现[1，2]，并将可能解释生化系统中左旋和右旋氨基酸分子间的不均衡性。分子内部振转能级跃迁的精确测量强烈依赖于质子和电子间的质量比（mp/me），因此可用于测量基本常数随时间的演变，而这种演变正是宇宙膨胀的结果[3]。冷分子带来的探测光和样品长相互作用时间使得我们可以直接测量电子或振动激发态寿命[4]。
1 直接冷却分子技术
1.1 缓冲气体冷却技术
缓冲气体冷却最早是由哈佛大学的J.M.Doyled小组提出的。他们利用低温的氦气作为缓冲气体，通过与样品气体的弹性碰撞实现了对CaH分子的初步冷却。该技术适用于任意可以同氦气发生碰撞的分子，所以绝大多数种类的分子都可以采用这个方法进行预冷，如Ne-N2O[5]，CaF，NH，YbF等。
经过同缓冲气体碰撞冷却后的分子会被装载入一个磁阱中，然后经由导引技术产生低温下的冷分子束（因为He气的温度为4.2 K，故产生的分子束的温度在4K左右）。具体的操作流程是：先将样品分子气体装入一个冷的隔离室，室内预先充满了低温的氦气或者氖气。样品分子会同载气分子在隔离室内发生碰撞相互作用，经过一段时间之后，它的转动能量和平动能量都会降低到缓冲气体的水平。为了提取到纯样品分子，在隔离室的出口处需要放置弯曲的波导管，使得只有运动速度非常缓慢的分子才能被顺利导引而到达最终的目标位置。
1.2 分子Stark减速技术冷却分子
分子的Stark减速最早是由Meijer小组在CO分子中实现的。该技术的基本原理是基于极性分子同电场之间的偶极相互作用。当极性分子束进入电场区域的时候，处于适当的内部量子态的分子就会获得一定的Stark能量，而这一部分能量来自于分子本身動能的减少。如果电场在分子离开前撤去的话，分子便不会重新获得所失去的动能，它的速度就会减小。如果让分子通过这样一系列级联的电场，分子的速度会一直不断地被减小直到静止。该方法在实验上实现起来比较简单，只需要较好的超声分子束源，冷却温度的极限一般在10 mK左右。
在Stark减速的过程中，首先将样品分子气体和载气（如氙或氦等稀有气体）一起通入一个脉冲阀中。通过稀有气体大分子同样品分子的碰撞，可以实现对样品分子的预冷。然后经由脉冲阀喷出，形成超声冷分子束。该分子束的横向线宽会被压窄，经过脉冲阀的膨胀效应也会使绝大多数的分子位于各自的基态上面，从而使得分子的内部自由度得到相应的冷却。当超声冷分子束形成之后，将其引入正交排布的极性电场区域。由于极性分子具有较大的电偶极距，因此在电场的作用下会产生和运动方向相反的偶极力，分子在电场中运动时会一直处在减速的状态。当分子运动到一对电极的中央，此处的电势最大，如果这时候撤去电场，分子就会保持这个最小的速度继续做匀速运动。运用多对类似的电极排列，分子会一直处在爬坡的阶段，实现有效的分子冷却。到目前为止，该技术已经被应用于产生不少种类的冷分子样品，例CO，OH，ND。
1.3 蒸发协同冷却技术
当缓冲气体技术和Stark减速方法都无法令分子系综进入超冷区的时候（ 2 分子的间接冷却 2.1 光缔合技术 由Thorsheim等人最早提出的光缔合现象，可以直观地解释为一对相互碰撞的原子吸收了一个特殊频率的光子而被激发到一个较高的分子能级的过程。直接光缔合产生的分子往往是被高度激发的，寿命非常短，易于发生自发辐射而衰减到一系列较低的能态上，或是退缔合成为自由原子对。随着双色光缔合技术的发展，人们已经可以成功的将产生的分子通过受激拉曼辐射相干地转移到振动的基态上，同时又可以大大地保持样品气体相空间的密度。
光缔合是通过光缔合（PA）激光和超冷铯原子相互作用实现。光缔合激光器是一台钛宝石激光器（Coherent MBR110）。其线宽小于100 kHz。其频率可以在40 GHz范围内连续扫描，实验中光缔合光最大输出功率为600 mW。将光缔合光用透镜聚焦。使其在冷原子云区聚焦到500 m，将冷原子云全部覆盖，当光低合在扫描过程中其红失谐频率接近铯原子6S（F=4）6P（F’=5）跃迁时，利用中性密度滤波片将它的功率逐渐衰减，避免光缔合光对磁光阱的干扰。光缔合的频率在6P原子渐进态限之下很宽的范围内扫描（相对于原子跃迁线红失谐40 cm）。实验中把铯原子6S（F=4）6P（F’=5）躍迁线作绝对频率标准。此频标用波长计（WS/7R）测量，其精密度为0.002 cm。在实验中利用雪崩光电二极管（Hamamatsn Si APD，S3884）探测冷原子的荧光信号。
2.2 光学Feshbach共振技术
由磁场可调谐的Feshabch共振技术所引申出来的光学Feshbach共振，也是近十年来冷原子分子物理领域非常热门的研究方向之一。这个想法最早是由Fedichev和Bohn等人相继提出的，他们建议用调制光场的方法来改变原子间的散射长度。此后这个想法为多个小组在实验和理论上证实。
当散射长度是正值时，原子间的相互作用是排斥的；当散射长度是负值时，原子之间的作用是吸引的；而当散射长度调到零值时，原子之间就不存在任何相互作用。光学Feshabch共振的原理很类似于磁场的Feshbach共振，就是运用光场的手段使得自由原子的散射态耦合到分子的束缚态的过程。
2.3 磁场可调谐的Feshbach共振技术
Feshbach共振作为一种量子力学的散射共振，最早是在核物理中被发现的。涉及冷原子气体，与磁场Feshbach共振有关的碰撞现象最早是在自旋极化的氢和氘系统里面被预言的。目前，用磁场Feshbach共振技术来产生超冷双原子分子的方案已经为很多实验小组用于Na，Li，LiK和KRb等同核或异核分子体系中。
与传统的热原子气体不同，对于超低温下的原子系综，它的密度要较空气低5个数量级，温度一般在K，这使得原子之间两体碰撞的总能量非常接近束缚态分子的结合能。Feshbach共振效应发生在当两个碰撞的原子在外部可调的磁场作用下，它们耦合的总能量与分子的束缚态能量完全相等的时候。在共振点附近，原子问的碰撞参数包括散射长度，散射截面等都会由于磁场的调谐作用而发生剧烈的变化。
Feshbach共振理论的基本思想在于考虑双通道（开通道和闭通道）之间存在耦合时两个原子之间的碰撞行为。它的物理机制是通过调节外加磁场，使入射原子的总能量与束缚态分子的能量非常接近甚至相等。在有效的共振宽度内，原子之间的散射长度可以从无穷小变化到无穷大。对于碱金属原子来说，由两个原子间的最外层电子自旋可以形成单重态或是三重态。一般情况，单重态的本征能量要远小于三重态的能量。
3 结语
激光冷却的基本条件是：（1）必须存在一个简单的多能级系统（如二能级或三能级系统）。（2）在这个多能级系统中，光子的“吸收-辐射”跃迁循环必须是封闭的。（3）这一跃迁循环过程必须是耗散的，并且是可以多次重复的。由于中性原子在共振或近共振光场中较为稳定，而且能级简单，采用一个或两个激光束就能满足上述激光冷却条件，在大量的跃迁循环过程中实现光子与原子间动量的有效交换，从而导致原子运动速度的降低（原子温度冷却），目前原子冷却温度已达0.5 nK。
在实验室里实现冷分子的实验方法、分子种类、分子的最低温度、最多的分子数目归纳如表1所示。从表中我们可以看出，到目前为止，在实验室里产生冷的化学稳定分子束（冷分子团）的最低温度可以达到几个mK的量级，同时得到最多的冷分子密度为107/cm-3。
参考文献
[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.