[科普中國]-中性分子

概念碰撞

中性分子不是在任何情況下都不顯電性。當(dāng)中性分子互相碰撞時(shí)，由于外層（繞整個(gè)分子）的電子的公轉(zhuǎn)受影響，會出現(xiàn)瞬間的電磁性。

強(qiáng)電磁場中性分子處于強(qiáng)電場中時(shí)，其外層電子受電場作用，朝向與外電場方向相反的方向運(yùn)動（電子帶負(fù)電荷），從而導(dǎo)電，即為擊穿。

中性分子處于強(qiáng)磁場中時(shí)，其與外界磁場方向相同電子的公轉(zhuǎn)速度會變慢，而與外界磁場方向相反電子的公轉(zhuǎn)速度會變快，從而產(chǎn)生反磁力。1

大分子有機(jī)物部分長鏈有機(jī)物大分子由于共軛作用的原因，只有抗磁性，而還具有導(dǎo)電性，是一種特殊的中性分子。

中性分子的激光聚焦與靜電導(dǎo)引隨著在中性原子的激光冷卻和囚禁方面取得巨大進(jìn)步，人們獲得了溫度超低的冷原子樣品，在這個(gè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了原子氣體中BEC、原予芯片、原子激光、光速減慢等一系列實(shí)驗(yàn)。由于超冷分子可用于基本物理問題的研究、基本物理常數(shù)的精密測量、分子波包動力學(xué)的相干操控、分子冷碰撞性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究、光學(xué)頻標(biāo)精度的改善、超冷分子鐘、無多普勒展寬(超高分辨率)分子光譜學(xué)、非線性超冷分子光譜學(xué)、超冷分子拉曼光譜學(xué)、分子物質(zhì)波干涉計(jì)量術(shù)、納米分子束刻蝕術(shù)及其納米新材料的研制等。因此，有關(guān)中性分子的冷卻、囚禁與操控的研究有著十分重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

激光冷卻激光冷卻的基本條件是：(1)必須存在一個(gè)簡單的多能級系統(tǒng)(如二能級或三能級系統(tǒng))；(2)在這個(gè)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(fù)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(gè)或兩個(gè)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(shí)現(xiàn)光子與原子間動量的有效交換，從而導(dǎo)致原子運(yùn)動速度的降低(原子溫度冷卻)，原子冷卻溫度已達(dá)約0.5nK。

雖說激光囚禁與操控中性分子已有不少成功的實(shí)驗(yàn)報(bào)道，但是有關(guān)中性分子的激光冷卻尚未取得突破性進(jìn)展。其原因主要有： (1)由于分子能級相當(dāng)復(fù)雜，即使是最簡單的雙原子分子，除了電子能級外，還有分子的振動與轉(zhuǎn)動能級，因而難以用一個(gè)或兩個(gè)激光束來滿足上述激光冷卻要求的重復(fù)躍遷條件； (2)由于從分子激發(fā)態(tài)到電子基態(tài)的其他振動能級的離共振熒光躍遷是不可避免的，阻礙了分子與光子間動量的有效交換； (3)分子在近共振光場中容易被光分解，導(dǎo)致分子的不穩(wěn)定。2

聚焦空心光束當(dāng)一束空心光束被透鏡聚焦后，由于透鏡的衍射效應(yīng)和聚焦光的相長干涉效應(yīng)在焦點(diǎn)附近將形成一高斯光斑。然而，如果一束高斯光束甚至一束空心光束通過一塊特殊的2π位相板后被透鏡聚焦，則聚焦光束不僅在焦點(diǎn)附近是中空的，而且由于光軸上的相消干涉，光束的其他部分也是中空的，因而這樣的光束稱為聚焦空心光束。因?yàn)檫@種空心光束在它的焦平而上有很小的DSS，它能夠用來聚焦原子束(分子束)以形成原子(分子)透鏡。由于在焦點(diǎn)處的光強(qiáng)相當(dāng)大，而H焦點(diǎn)附近具有很高的強(qiáng)度梯度，故通過Sisyphus強(qiáng)度梯度冷卸可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引原子的激光冷卻，還可以用于研究冷原子在聚焦空心光束中的絕熱壓縮和絕熱膨脹的過程。

由2π位相板產(chǎn)生的聚焦空心光束在焦點(diǎn)附近有很大的強(qiáng)度梯度，在這種藍(lán)失諧聚焦空心光束中產(chǎn)生的Sisyphus冷卻效果會更明顯，這種光束還可以研究冷原子的絕熱壓縮和絕熱膨脹效應(yīng)；在焦平面上，聚焦空心光束的DSS越小，光學(xué)勢越大，對應(yīng)的最佳失諧量d越大，越有利于形成原子透鏡。因?yàn)檫@不僅容易得到較高分辨率的原子透鏡，而且還可以減少聚焦空心光束中原子的自發(fā)輻射和光子散射效應(yīng)。分子在焦點(diǎn)附近受到很大的光學(xué)勢，光場偶極力也遠(yuǎn)大于分子所受的重力。當(dāng)分子的平動溫度比較低時(shí)，在聚焦空心光束中可以實(shí)現(xiàn)對冷分子的光學(xué)導(dǎo)引、聚焦、囚禁與操控，甚至構(gòu)成分子透鏡。

極性冷分子的靜電表面導(dǎo)引由于Stark效應(yīng)，極性分子在非均勻電場中運(yùn)動時(shí)將受到電場偶極力的作用，這一偶極力指向電場強(qiáng)度最小處還是指向電場強(qiáng)度最大處，完全依賴于分子處于弱場搜尋態(tài)還是強(qiáng)場搜尋態(tài)。因此可以將極性分子的靜電導(dǎo)引分成兩種模式：強(qiáng)場搜尋態(tài)分子的靜電導(dǎo)引和弱場搜尋態(tài)分子的靜電導(dǎo)引。由于處于KepIer軌道上的分子的數(shù)目很少，所以這種分子導(dǎo)引的效率非常小。然而，絕緣介質(zhì)表面產(chǎn)生的空心靜電導(dǎo)管可以沿著z方向?qū)б鯃鏊褜B(tài)的極性分子，可以得到較高的導(dǎo)引效率。當(dāng)導(dǎo)體棒之間的半寬度a較小，半徑r0較大，與接地平板之間的距離b較小時(shí)，導(dǎo)引電壓越大，最大橫向有效囚禁勢W(y)effective越大，對極性冷分子的橫向約束就會越緊，在空心靜電導(dǎo)管中導(dǎo)引冷分子的平均直徑(也即平均橫向運(yùn)動范圍)越小。3