研究氫氧化鈣，發(fā)一篇Science！

超冷多原子分子是量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)和超出標(biāo)準(zhǔn)模型的精密物理研究的有潛力的候選者，但其關(guān)鍵的要求是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全量子調(diào)控。

有鑒于此，哈佛大學(xué)Lo?c Anderegg和加州理工學(xué)院Nicholas R. Hutzler等人建立了對(duì)氫氧化鈣(CaOH)中各個(gè)量子態(tài)的相干控制，并演示了一種搜索電子電偶極矩(eEDM)的方法。在單個(gè)量子態(tài)下制備光捕獲的超冷CaOH分子，在電場(chǎng)中極化，相干轉(zhuǎn)移到eEDM敏感態(tài)進(jìn)行電子自旋進(jìn)動(dòng)測(cè)量。為了延長(zhǎng)相干時(shí)間，作者使用了具有可調(diào)諧、近零磁場(chǎng)靈敏度的eEDM敏感態(tài)。本工作結(jié)果為利用捕獲的多原子分子進(jìn)行eEDM搜索建立了一條路徑。

多原子分子控制的實(shí)驗(yàn)方法

作者展示了對(duì)小電場(chǎng)中具有高極化率的振動(dòng)彎曲模式下被捕獲的多原子分子的內(nèi)部狀態(tài)的完全量子控制。首先在單個(gè)超精細(xì)水平上制備超冷、光學(xué)捕獲的分子，然后施加靜電場(chǎng)以使分子極化。作者觀察了一系列電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的自旋進(jìn)動(dòng)，并描述了當(dāng)前測(cè)量相干時(shí)間的局限性。通過(guò)容易獲得的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，可以實(shí)際實(shí)現(xiàn)狀態(tài)壽命（>100 ms）數(shù)量級(jí)的相干時(shí)間，在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了eEDM測(cè)量的關(guān)鍵組件。

圖1 實(shí)驗(yàn)概述

實(shí)驗(yàn)概述和單態(tài)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)首先將激光冷卻的CaOH分子從磁光陷阱加載光學(xué)偶極子陷阱(ODT)中，對(duì)ODT中的分子進(jìn)行10毫秒的無(wú)損成像。然后分子被光學(xué)泵浦到振動(dòng)彎曲模式且陷阱深度絕熱降低3.5倍。為了制備單一超精細(xì)狀態(tài)的分子，作者結(jié)合使用了光泵浦和微波脈沖。

圖2 自旋進(jìn)動(dòng)

eEDM敏感狀態(tài)下的自旋進(jìn)動(dòng)

為了在eEDM敏感狀態(tài)下執(zhí)行自旋進(jìn)動(dòng)，作者首先將電場(chǎng)絕熱至EZ，然后打開(kāi)小偏置磁場(chǎng)BZ。使用類似于Ramsey能譜的程序測(cè)量了電子自旋進(jìn)動(dòng)頻率，通過(guò)施加的電場(chǎng)EZ進(jìn)行調(diào)諧。為了繪制出零g因子交叉的位置，在固定磁場(chǎng)BZ= 110 mG下對(duì)不同電場(chǎng)進(jìn)行了自旋進(jìn)動(dòng)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)eEDM流形內(nèi)的零g因子交叉發(fā)生在59.6 V/cm的電場(chǎng)下。作者強(qiáng)調(diào)，雖然這些交叉的位置取決于特定分子的結(jié)構(gòu)，但它們的存在在多原子分子中是通用的。

圖3 自旋進(jìn)動(dòng)信號(hào)的相干時(shí)間

相干時(shí)間和限制

作者展示了在不同應(yīng)用場(chǎng)BZ和EZ下測(cè)得的相干時(shí)間，描述了兩個(gè)長(zhǎng)期消除振蕩的主要限制。作者發(fā)現(xiàn)偏壓電場(chǎng)EZ的漂移在設(shè)備中可以忽略不計(jì)，由磁場(chǎng)噪聲dBZ引起的退相干與所施加的磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。在較高磁場(chǎng)下，相干時(shí)間的主要限制是來(lái)自光學(xué)捕獲光的交流Stark位移。強(qiáng)烈的Z偏振ODT光會(huì)導(dǎo)致發(fā)生零g因子交叉的電場(chǎng)變化。根據(jù)研究結(jié)果，預(yù)計(jì)在非常小的g因子（geff≈0）和非常小的偏置場(chǎng)（BZ≈0）下，將出現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)的最長(zhǎng)相干時(shí)間。

圖4 陷阱光對(duì)相干時(shí)間的影響