RUI: PM: Optical Molecular Clocks for New Physics Searches
RUI:PM:用于新物理搜索的光学分子钟
基本信息
- 批准号:2207623
- 负责人:
- 金额:$ 56.11万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2022
- 资助国家:美国
- 起止时间:2022-07-15 至 2025-06-30
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Some atoms and molecules possess quantum states with properties that are particularly well-suited to use in timekeeping, quantum information, or tests of physical laws. This award focuses on molecular vibrations – where the atomic nuclei stretch and compress the chemical bond. The project will demonstrate the tools needed to use molecular vibrations as precise frequency references (that is as good clocks) and is a stepping stone on the way towards searching for changes in the basic physical parameters of nature (such as how many times heavier the proton is than the electron). Such changes are predicted by some models of quantum gravity or dark matter, but none have yet been observed in the lab. This research takes place at a liberal arts college, and undergraduate students are involved in all aspects of the work. The project will advance the career of a postdoctoral scholar. In addition to training the next generation of scientists, this work develops skills in experimental physics that are transferable to a wide array of future endeavors.This award enables investigation of laser-driven vibrational transitions in molecular ions. The particular transition here – from the ground vibrational state to a vibrationally excited state in the diatomic oxygen molecular cation – has a narrow natural linewidth, high sensitivity to changing fundamental constants, and long-term prospects as an optical molecular clock. The nonpolar nature of the molecule suppresses systematic shifts related to electric fields, such as AC Stark shifts and blackbody radiation. Molecular vibrations hold great promise for next-generation searches for drifts or oscillations in the proton-to-electron mass ratio. This project builds on the PI’s experience with trapped charged particles as well as existing infrastructure for producing quantum-state-selected molecular ions. These ions will be loaded into a trap and sympathetically cooled with co-trapped atomic ions. The trapping enables long probe times, which will be needed to precisely determine the transition frequency and to demonstrate a proof-of-principle search for variation in the proton-to-electron mass ratio. Such a search is a probe of additional dimensions, new scalar fields, and ultralight dark matter.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
一些原子和分子具有量子态,其特性特别适合用于计时、量子信息或物理定律的测试。该奖项关注的是分子振动——原子核拉伸和压缩化学键的地方。该项目将展示使用分子振动作为精确频率参考(即良好的时钟)所需的工具,并且是探索自然基本物理参数变化(例如质子比电子重多少倍)的垫脚石。量子引力或暗物质的一些模型预测了这种变化,但还没有在实验室中观察到。这项研究在一所文理学院进行,本科生参与了研究的各个方面。该项目将促进博士后学者的职业发展。除了培养下一代科学家之外,这项工作还培养了实验物理方面的技能,这些技能可以应用到未来的一系列工作中。该奖项使研究激光驱动的分子离子振动跃迁成为可能。这种特殊的跃迁——在双原子氧分子阳离子中从基态振动到振动激发态——具有窄的自然线宽,对基本常数变化的灵敏度高,作为光学分子钟具有长期的前景。分子的非极性性质抑制了与电场相关的系统位移,如AC斯塔克位移和黑体辐射。分子振动对下一代寻找质子与电子质量比的漂移或振荡具有很大的希望。该项目建立在PI在捕获带电粒子方面的经验,以及生产量子态选择分子离子的现有基础设施的基础上。这些离子将被装入一个陷阱,并与共陷阱的原子离子一起冷却。捕获使探测时间更长,这将需要精确地确定跃迁频率,并演示质子与电子质量比变化的原理证明搜索。这样的搜索是对额外维度、新的标量场和超轻暗物质的探测。该奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。
项目成果
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