宁传刚教授研究组与合作者发现钍负离子可以被激光冷却

 

        宁传刚教授研究组和瑞典隆德大学、复旦大学,以及中国科学院上海应用物理研究所的合作者最近发现钍负离子(Th-)可被激光冷却。相关工作以" Candidate for Laser Cooling of a Negative Ion: High-Resolution Photoelectron Imaging of Th-"为题发表在11月13日的物理学评论快报上,并被编辑选为推荐文章,且在线配发了简报。

        在过去40年,人们利用激光冷却技术获得了超冷的原子和正离子,为原子分子物理领域带来了很多激动人心的重要发现,如玻色爱因斯坦凝聚,精密测量,基本物理定律的检验等。尽管中性原子和正离子的激光冷却很早就实现了,但是负离子的激光冷却迟迟没有实现。这是由于负离子独特的能级结构,其额外的电子和中性原子间的结合力很弱,因此负离子通常没有激发态,因而缺少激光冷却所需要的快速电偶极跃迁循环。在过去近二十年的研究中,人们发现镧负离子(La-)具有合适的电子结构,存在一个和基态宇称相反的激发态。在该激发态和基态之间存在快速电偶极跃迁,La-被认为是最有希望实现激光冷却的负离子。然而,镧负离子的跃迁循环存在一个长寿命暗态,而且La-的能级存在多条超精细结构劈裂,这就需要很多路回泵激光来实现跃迁循环的闭合。因此,实现激光冷却镧负离子实验上非常复杂。

        近年来,宁传刚教授研究组搭建了一套高分辨的低温慢电子速度成像谱仪,其能量分辨率可以好于0.1meV。在过去几年,他们用这台谱仪精确测量了二十多个过渡族、镧系、锕系元素的电子亲和势,并确定了相应负离子的能级结构,这大大拓展了人们对负离子的认知。在和中科院上海应物所刘洪涛研究员小组合作进行Th-测量的时候,他们发现Th的电子亲和能为0.607690(60) eV,远高于前人的理论预言值,并观测到了两个激发态。这个发现使得Th-有可能存在符合激光冷却所要求的能级结构。


图1.Th-的光电子能谱。插图为光电子速度成像,箭头表示激光偏振方向。


        在实验基础上,复旦大学现代物理研究所陈重阳教授和司然博士进行了Th高精度的理论计算,确定了Th-的能级结构和电偶极跃迁(图2)。其中基态与激发态之间的跃迁循环(红色箭头)被认为非常适合用于激光冷却。它们的能量间隔为能量为3904cm-1,对应波长约2.6μm。此跃迁速率较快,其辐射速率A= 1.17×104 s-1。这个跃迁循环没有暗态,而232Th-的核自旋为0,不存在超精细结构劈裂,这大大降低了激光冷却的实验难度。因此,Th-是比La-更优的激光冷却候选负离子。

 

图2. 理论计算给出的Th-的能级图。箭头指示的是电偶跃迁,其中红色箭头为适用于激光冷却的跃迁循环。


        该工作为实现负离子的激光冷却奠定了基础。一旦实现了某一种负离子的激光冷却,便可以使用协同冷却技术冷却其他负离子甚至反质子,这在基础物理、原子分子、超冷化学等领域都有重要作用。特别是协同冷却反质子,是目前制备超冷反氢原子的一个重要实验方案。实验上获得超冷反氢原子是精密检验正反物质的对称性,以及研究反物质引力问题的重要前提。

        清华大学物理系博士生唐如麟与瑞典隆德大学/复旦大学的司然博士为文章的共同第一作者。清华大学的宁传刚教授,复旦大学的陈重阳教授和中科院上海应物所的刘洪涛研究员为共同通讯作者。此外,科学院上海应物所费泽杰博士、清华大学物理系博士生付筱茜和陆禹竹参与了部分实验工作,瑞典隆德大学与复旦大学双聘教授T. Brage参与了部分理论计算工作。该研究得到了国家自然科学基金、精密测量重大研究计划,国家重点研发计划的支持。谱仪建造的早期还得到了低维量子国家重点实验室、清华大学自主研究计划,以及清华大学学堂班拔尖计划的经费支持。刘洪涛研究员的工作得到了中科院战略性先导专项“先进核裂变能-钍基熔盐堆”、中科院百人计划的支持,司然博士和T. Brage教授的工作得到了瑞典研究委员会的经费支持。


      文章链接:

      https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.203002

      简报链接:

      https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.203002