氢化物双原子分子的光谱计算与其在激光冷却中的应用

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氢元素是人类最早发现和接触的元素之一,在宇宙和自然界中分布广泛。氢化物分子包含许多重要的有机和无机分子(如H2O、CH4、C2H5OH等),与我们的生活息息相关。而氢化物双原子分子作为最简单的氢化物分子,更是受到研究人员的广泛关注。光谱被誉为物质的“指纹”,是对原子分子内部结构及特性的最直接反映。无论是通过光谱实验测量还是光谱理论计算研究原子分子的能级分布及光谱特性一直都是科学界的热门话题。此外,氢化物双原子分子在研究激光冷却上有着得天独厚的优势:高对角化分布的Franck-Condon(F-C)因子;较短的自发辐射寿命。在本文中,基于相关一致基组aug-cc-pV5Z,采用高精度的内收缩多参考组态相互作用方法(MRCI),计算了BX+(X=H,D,T)离子两个最低解离极限B+1Sg)+H(2Sg)和B+3Pu)+H(2Sg)对应的5个?-S态(X2Σ+、A2Π、B2Σ+、a4Π和b4Σ+)的势能曲线(PECs)和跃迁偶极矩(TDM)。计算中考虑了核-价相关和标量相对论修正使得计算更为可靠。此外还考虑了A2Π态的自旋-轨道耦合效应,并计算出了耦合常数Ω=12.99 cm-1。根据计算结果,求解一维核运动的径向薛定谔方程得到相应电子态的振-转光谱常数、F-C因子和振动能级辐射寿命。其中A2(47)-X2(50)+的F-C因子(BH+:f00=0.945,BD+:f00=0.925,BT+:f00=0.913)、辐射寿命(BH+:τ=239 ns,BD+:τ=236 ns,BT+:τ=235 ns)。此外,在MRCI理论水平上,对Ag原子采用赝势基组ecp28mdf,对1,2H原子采用aug-cc-pVTZ基组计算了Ag1,2H分子(X1(50)+,A1(50)+,C1Π,a3Π,a’3(50)+和b’3(50)+)6个态的PEC和X1(50)+-A1(50)+的TDM。此次的计算基于Douglas-Kroll相对论,并考虑了内层关联电子的影响。随后,利用LEVEL8.0程序计算得到了A1(47)-X1(50)+的F-C因子和辐射寿命τ。其结果为:AgH(f00=0.994,τ=22.3 ns);AgD(f00=0.995,τ=22.2 ns)。结果表明:AgH和AgD分子都具有高对角化分布的F-C因子,并且τ非常短。基于以上的计算,我们对BH+系列分子提出了一个可实现Doppler激光冷却的光循环方案:A2(47)1/2(υ′=0)-X2(50)+(υ″=0,1),其中υ′=0中包含2个转动能级,υ″=0和υ″=1中分别包含6个和4个转动能级。根据方案,模拟了激光冷却过程中的BX+(X=H,D,T)分子布居数动力学变化过程。而对于AgH分子,可以使用激光波长为λ=338.4 nm的主光束和再抽运激光λ’=357.9 nm来驱动|X1(50)+,υ″=0 1>-|A1(50)+,υ’=0>的跃迁实现冷却;AgD分子冷却激光的波长分别为λ=338.6 nm和λ’=352.4 nm。结果表明:BH+系列分子从300 K冷却到5 mK温度需要散射8450个光子,历时41 ms,冷却效率为92%;而AgH和AgD分别减速为78和67 cm的距离时可由25 mK冷却至2 mK,冷却时间分别为14.7和13.1 ms。
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