基于从简单到复杂的思想,人们已经成功制备出了可控的单光子、单离子、单原子等优美的体系,用于量子计算、量子模拟和精密测量等方面的研究,并且取得了长足的进步。囚禁单个冷分子,一直是人们的另一个梦想,它不仅可以适用于前面的应用,还可以用来研究确定性的少体动力学、可控的超冷化学反应等问题。虽然人们已经在光晶格的单个格点中制备出了单个分子,但是,仍然没有实现单个格点可分辨地操控和探测。在微型光阱中囚禁单分子,可以很好地利用光阱的可扩展性和可编程控制的能力,解决单分子的可分辨地操控和探测的问题。2015年,我们小组实现了微型光阱中两个异核单原子碰撞动力学的观测,精确测量了超精细态依赖的非弹性碰撞速率。在此基础上,本文将进一步地从两个超冷的单原子出发,研究两原子的相互作用和碰撞过程,并相干合成单个冷分子。主要包括以下内容:1.设计实现了双组份铷原子的激光冷却、囚禁和操控实验系统我们设计实现了 87Rb和85Rb的激光冷却和囚禁的实验系统,实现了两团空间重合的双组份冷原子团的制备。搭建了一套束腰小于1 μm的强聚焦系统,用于单原子的囚禁,并将单个87Rb和85Rb原子分别囚禁在两个相距4 μm的微型光阱中,寿命约为7 s。用亚多普勒冷却技术,将两个原子都冷却到兰姆-迪克区,实现了强囚禁。并用光泵技术实现了两个原子的超精细能级的初始化,并用双光子受激拉曼跃迁或微波跃迁,实现了两个原子的超精细能级的相干操控。利用双光子跃迁,实现了单个87Rb原子的里德堡相干激发,为基于中性原子的量子信息打下了基础。测量了超精细态依赖的和超精细磁子能级依赖的两原子碰撞的动力学过程,为研究两个超冷原子间的相互作用和单分子制备打下了坚实的基础。2.实现了微型光阱中单个87Rb和85Rb原子运动基态的冷却我们将分别囚禁的87Rb和85Rb的两个单原子同时冷却到了各自势阱的基态,并且实现了单原子运动态的相干操控。冷却后的三个维度的谐振子量子数都小于0.1,原子处于三维基态的概率约为90%。我们分析了原子在光阱中的各种加热因素,并分析了边带冷却对于压制原子的热运动所带来的好处。在边带冷却之后,我们演示了单个原子运动态的高保真操控。3.提出并实现了87Rb和85Rb运动态高保真度的转移我们分析了两个对称光阱转移过程中的加热效应,并分析了光阱的不对称比例对基态原子转移过程的影响。为了高效地合成单个分子,需要实现两个原子的波函数在空间上的完美重叠。为此,我们提出并实现了量子态依赖的转移技术,来避免87Rb和85Rb两个原子在转移和重合过程中的加热。通过边带冷却和态依赖转移技术,我们最终使得两个原子波函数的重叠提高了三个量级。4.测量了 87Rb和85Rb原子不同超精细能级间的相互作用在获得了两个重合的超冷原子之后,我们用微波跃迁测量了 87Rb和85Rb原子不同超精细能级间的相互作用,并推测出了它们间的散射长度,误差约为2.6 nm,为预测合成分子所需的频率提供了基础。与多通道量子亏损理论相结合,我们揭示了一种在超冷原子碰撞过程中通常被忽略的效应——量子亏损的能量依赖性。5.首次在微型光阱中相干合成了单个冷分子我们借助于微型光阱的偏振梯度效应,用态依赖的微波跃迁实现了两个原子间的相对运动的操控,并观测到了量子化的运动模式。在此基础上,实现了单个87Rb85Rb冷分子的相干合成,观测到了从原子散射态到分子束缚态的相干拉比振荡,并操控了单分子的运动态。在测量阱中的单分子束缚能的基础上,推测出了自由空间的束缚能的准确值,并由此给出了不同超精细能级下的散射长度的精确值,误差小至20 pm以下。