[科普中国]-中性分子

概念碰撞

中性分子不是在任何情况下都不显电性。当中性分子互相碰撞时，由于外层（绕整个分子）的电子的公转受影响，会出现瞬间的电磁性。

强电磁场中性分子处于强电场中时，其外层电子受电场作用，朝向与外电场方向相反的方向运动（电子带负电荷），从而导电，即为击穿。

中性分子处于强磁场中时，其与外界磁场方向相同电子的公转速度会变慢，而与外界磁场方向相反电子的公转速度会变快，从而产生反磁力。1

大分子有机物部分长链有机物大分子由于共轭作用的原因，只有抗磁性，而还具有导电性，是一种特殊的中性分子。

中性分子的激光聚焦与静电导引随着在中性原子的激光冷却和囚禁方面取得巨大进步，人们获得了温度超低的冷原子样品，在这个基础上实现了原子气体中BEC、原予芯片、原子激光、光速减慢等一系列实验。由于超冷分子可用于基本物理问题的研究、基本物理常数的精密测量、分子波包动力学的相干操控、分子冷碰撞性质的实验研究、光学频标精度的改善、超冷分子钟、无多普勒展宽(超高分辨率)分子光谱学、非线性超冷分子光谱学、超冷分子拉曼光谱学、分子物质波干涉计量术、纳米分子束刻蚀术及其纳米新材料的研制等。因此，有关中性分子的冷却、囚禁与操控的研究有着十分重要的科学意义和广阔的应用前景。

激光冷却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)，原子冷却温度已达约0.5nK。

虽说激光囚禁与操控中性分子已有不少成功的实验报道，但是有关中性分子的激光冷却尚未取得突破性进展。其原因主要有： (1)由于分子能级相当复杂，即使是最简单的双原子分子，除了电子能级外，还有分子的振动与转动能级，因而难以用一个或两个激光束来满足上述激光冷却要求的重复跃迁条件； (2)由于从分子激发态到电子基态的其他振动能级的离共振荧光跃迁是不可避免的，阻碍了分子与光子间动量的有效交换； (3)分子在近共振光场中容易被光分解，导致分子的不稳定。2

聚焦空心光束当一束空心光束被透镜聚焦后，由于透镜的衍射效应和聚焦光的相长干涉效应在焦点附近将形成一高斯光斑。然而，如果一束高斯光束甚至一束空心光束通过一块特殊的2π位相板后被透镜聚焦，则聚焦光束不仅在焦点附近是中空的，而且由于光轴上的相消干涉，光束的其他部分也是中空的，因而这样的光束称为聚焦空心光束。因为这种空心光束在它的焦平而上有很小的DSS，它能够用来聚焦原子束(分子束)以形成原子(分子)透镜。由于在焦点处的光强相当大，而H焦点附近具有很高的强度梯度，故通过Sisyphus强度梯度冷卸可实现导引原子的激光冷却，还可以用于研究冷原子在聚焦空心光束中的绝热压缩和绝热膨胀的过程。

由2π位相板产生的聚焦空心光束在焦点附近有很大的强度梯度，在这种蓝失谐聚焦空心光束中产生的Sisyphus冷却效果会更明显，这种光束还可以研究冷原子的绝热压缩和绝热膨胀效应；在焦平面上，聚焦空心光束的DSS越小，光学势越大，对应的最佳失谐量d越大，越有利于形成原子透镜。因为这不仅容易得到较高分辨率的原子透镜，而且还可以减少聚焦空心光束中原子的自发辐射和光子散射效应。分子在焦点附近受到很大的光学势，光场偶极力也远大于分子所受的重力。当分子的平动温度比较低时，在聚焦空心光束中可以实现对冷分子的光学导引、聚焦、囚禁与操控，甚至构成分子透镜。

极性冷分子的静电表面导引由于Stark效应，极性分子在非均匀电场中运动时将受到电场偶极力的作用，这一偶极力指向电场强度最小处还是指向电场强度最大处，完全依赖于分子处于弱场搜寻态还是强场搜寻态。因此可以将极性分子的静电导引分成两种模式：强场搜寻态分子的静电导引和弱场搜寻态分子的静电导引。由于处于KepIer轨道上的分子的数目很少，所以这种分子导引的效率非常小。然而，绝缘介质表面产生的空心静电导管可以沿着z方向导引弱场搜寻态的极性分子，可以得到较高的导引效率。当导体棒之间的半宽度a较小，半径r0较大，与接地平板之间的距离b较小时，导引电压越大，最大横向有效囚禁势W(y)effective越大，对极性冷分子的横向约束就会越紧，在空心静电导管中导引冷分子的平均直径(也即平均横向运动范围)越小。3