氟化镁分子磁光囚禁的理论研究

冷分子因其具振动、转动自由度，以及永久电偶极矩，在精密测量，多体物理，冷化学操控以及量子模拟与计算等领域具有广泛的应用前景。然而，分子复杂的内态能级结构，使得制备超冷分子困难重重。MgF分子具有较小的激发态g因子（ge=-0.0002）和较大的跃迁辐射速率（G=2p´22MHz），其能否被有效的磁光囚禁并冷却是一个值得探讨的问题。印建平小组利用三维的速率方程，对MgF分子磁光阱中所涉及的十六能级泵浦跃迁进行了模拟。考虑了每个基态的塞曼能级分裂，亥姆霍兹线圈产生的空间梯度磁场，以及分子基态超精细能级间隔导致的双频效应。分别对三频率、四频率和更多频率分量模型进行了最佳激光偏振与失谐的优化。研究结果发现三频率分量模型的囚禁力大约是四频率分量的一半，而其阻尼力是四频率分量的1.5倍；虽然存在着激发态g因子较小的问题，但是理论计算发现两种模型均可用来实现MgF分子的磁光阱。前者的最佳失谐是-Γ，且捕获速度为～23 m/s，后者的失谐比较复杂，由两种失谐分量组成，分别是-0.5Γ和-0.15Γ，且最大捕获速度为～26 m/s。此外，如果加上一束额外偏振的激光，发现对四能级模型影响不大，而对于三能级模型，其捕获速度下降到～17m/s，此时囚禁力和阻尼力能同时满足最大化，从而有效实现MgF分子磁光囚禁。MgF分子（3+1）能级模型下的囚禁力和阻尼力加速度曲线如图1所示。研究成果发表在Physical Review A 99, 033408 (2019)。MgF是目前国际上除了SrF、CaF和YO分子外又一理论论证可行的激光冷却并磁光囚禁的分子。

图1. MgF分子（3+1）能级模型下的囚禁力和阻尼力加速度曲线