Se describen desarrollos recientes en Optica Atomica, en particular la condensacion de Bose-Einstein (BEC) y los modelos propuestos para la obtencion de un haz coherente de atomos o de atomos. La obtencion experimental de un nuevo estado de la materia. El condensado de Bose-Einstein por el grupo de JILA-NIST, El ano pasado en Boulder con atomos de 87 Rb, es uno es uno de los aportes mas relevantes hechos a la fisica en 1995 (sino el mas relevante de ellos). Los grupos teoricos a su vez prupusieron diversos modelos para el laser de atomos, si bien su realizacion experimental no parece inmediata. Las propiedades de tal dispositivo deben ser en principio diferentes a las del condensado, puesto que el laser se obtiene en un estado de no equilibrio mediante manipulacion externa, en tanto que el condensado es un estado de equilibrio de un gas de bosones.
Se describen desarrollos recientes en Optica Atomica, en particular la condensacion de Bose-Einstein (BEC) y los modelos propuestos para la obtencion de un haz coherente de atomos o de atomos. La obtencion experimental de un nuevo estado de la materia. El condensado de Bose-Einstein por el grupo de JILA-NIST, El ano pasado en Boulder con atomos de 87 Rb, es uno es uno de los aportes mas relevantes hechos a la fisica en 1995 (sino el mas relevante de ellos). Los grupos teoricos a su vez prupusieron diversos modelos para el laser de atomos, si bien su realizacion experimental no parece inmediata. Las propiedades de tal dispositivo deben ser en principio diferentes a las del condensado, puesto que el laser se obtiene en un estado de no equilibrio mediante manipulacion externa, en tanto que el condensado es un estado de equilibrio de un gas de bosones.
En óptica atómica los papeles de la luz y la materia se invierten con respecto a los de la óptica convencional, dando origen a la posibilidad de manipular átomos con láseres. Esta revisión versa sobre los fundamentos y desarrollos recientes de la Optica Atómica: los métodos de enfriamiento y confinamiento de átomos con láseres, la formación de redes de potencial óptico, la obtención del Condensado de Bose-Einstein (BEC) y el "láser de átomos". Se describen los rangos esenciales del condensado y de los diferentes modelos teóricos propuestos para la obtención de un haz atómico coherente, señalando los retos tecnológicos involucrados en su implementación. Se mencionan algunas perspectivas y posiblidades de aplicación.
La presente tesis se enmarca dentro de los campos de la Optica Cuantica y la Optica Atomica, mas especificamente en el area de atomos frios y su control y manipulacion mediante laseres. En estas ultimas decadas, estos campos han experimentado un enorme desarrollo, debido principalmente a las nuevas tecnicas que permiten el control y manipulacion de atomos. Estas tecnicas han abierto el campo de las interacciones luz - materia a estudios sobre nuevos efectos y nuevos estados de la materia como el condensado Bose-Einstein o el gas de Tonks-Girardeau.
Esta tesis esta dividida en tres partes. La primera parte estudia iones atrapados y su interaccion con laseres. Los iones quedan atrapados mediante diferentes combinaciones de campos electromagneticos, y pueden ser manipulados y controlados individualmente mediante laseres. En esta primera parte se presenta una generalizacion del concepto de sideband transitions o transiciones de banda lateral, valida para laseres de intensidad y desintonia arbitrarios. Tambien en esta primera parte de la Tesis se estudian los diferentes corrimientos de frecuencia observados en el espectro energetico de un ion atrapado iluminado con un laser.
La segunda parte esta dedicada a mostrar efectos interesantes que se producen en interferometria atomica debido al movimiento cuantico. El uso de atomos en interferometria en lugar de fotones presenta algunas ventajas. Los atomos interaccionan fuertemente con campos electromagneticos debido a su estructura interna, de forma que pueden ser manipulados y controlados de forma muy precisa. Ademas, el hecho de tener masa no nula, permite el estudio de fuerzas gravitacionales. Los efectos debidos al movimiento cuantico se estudian en un interferometro atomico de Mach-Zender, y tambien se estudia la interferometria Ramsey, mostrando que las franjas de interferencia se pueden hacer mas estrechas si los dos campos tienen frecuencias distintas y se controla su diferencia de fase.
Finalmente, la tercera parte trata algunos aspectos novedosos del Efecto Zeno Cuantico. Se comparan medidas pulsadas y continuas en un sistema optico-quantico simple, generalizando resultados anteriores.
En el ultimo capitulo de esta fase se exploran diferentes formas de controlar y manipular el decaimiento exponencial inducido por mediciones frecuentes en sistemas optico-quantico simples. Se examinan la influencia de diferentes factores como la influencia del estado inicial del atomo o el efecto de los terminos contr-rotantes cuando no se aplica la Aproximacion de Onda Rotante o Rotating Wave Approximation (RWA). En particular, a pesar de que los efectos Zeno y anti-Zeno cuanticos estan asociados a dependencias cuadraticas de la probabilidad de supervivencia, se encuentra un efecto anti-Zeno para dependencias lineales de la misma escogiendo adecuadamente el estado inicial y los parametros del laser.
En 1995, tras muchos intentos fallidos y superar varios obstáculos, se logró enfriar un gas de átomos alcalinos a temperaturas del orden de 10-7 K. A esta temperatura, los átomos se “unen” para formar el Condensado de Bose-Einstein (BEC). El BEC constituye otro estado de la materia, cuyas propiedades son objeto de estudios hoy día. El BEC había sido predicho por Einstein (1924) cuando analizaba el trabajo de S.N. Bose (sobre Mecánica Estadística), pero tuvo que esperar el desarrollo y perfeccionamiento de técnicas para atrapar y enfriar átomos, de las últimas dos décadas. En este trabajo, se repasan los aspectos más importantes de algunas de éstas técnicas y otros elementos de la formación del BEC. En el año 2001, y en reconocimiento a su trabajo, E. Cornell (EUA), C. Weimann (EUA) & W. Ketterle (Alemania), fueron galardonados con el premio Nóbel de Física, por el descubrimiento del quinto estado de la materia.
Bose-Einstein Condensates of Dilute Alkali Gases ResumenLos condensados de Bose-Einstein han sido uno de los sistemas más estudiados en los últimos años, desde que en 1995, se logró por primera vez un experimento en el que se generaran con éxito condensados prácticamente puros.No es de extrañar el interés que hay sobre este estado de la materia, pues se encuentra en multitud de sistemas en la naturaleza y tiene importantes aplicaciones en interferometría atómica y computación cuántica, además de ser la base del desarrollo del láser de átomos.En este trabajo desarrollamos el marco teórico usual para trabajar con condensados a temperaturas cercanas al cero absoluto, para luego, abordar el formalismo adecuado para el tratamiento de condensados alargados.A continuación, aplicamos las ecuaciones obtenidas a una serie de condensados alargados utilizando técnicas computacionales, comparando los resultados numéricos con expresiones analíticas aplicadas al mismo problema.
En esta tesis se analizan distintos dispositivos basados en la sintonizacion de la longitud de dispersion de las particulas que forma el condensado en zonas controladas de espacio. De esta manera, se disena un laser pulsado de atomos; un laser continuo, para el que se sintonizan tambien las interacciones elasticas a tres cuerpos; un acelerador de atomos basado en el uso de una red optica modulada en amplitud; unas pinzas opticas mediante el uso de un haz laser para extraer un numero controlado de atomos del condensado; y un interferometro basado en la emision de parejas de solitones contrapropagantes y simetricos. Finalmente, en el ultimo capitulo se presenta el trabajo emperimental que se esta realizando en el laboratorio de optica y cuya finalidad es crear un condensado de Bose-einstein de atomos de 87Rb.
En este trabajo se estudian condensados de Bose-Einstein generados en sistemas de átomos alcalinos ultrafríos. Entre algunas de sus múltiples aplicaciones, los sistemas de gases ultrafríos resultan de gran interés por su potencial uso para la medición de la interacción entre átomos y superficies. Dicha interacción, conocida como efecto Casimir-Polder, ha sido detectada exitosamente en este contexto utilizando al condensado como un detector local en el caso que la geometría de la superficie es plana. Nuevos avances en la descripción de este efecto han permitido considerar, desde el punto de vista teórico, el caso de superficies más generales en que la geometría juega un papel no trivial. En estos casos, además de la componente normal del potencial de Casimir-Polder, existe un término lateral. Esto motiva la interacción lateral sobre alguno de los observables del sistema atómico. Con este propósito aquí se estudian los efectos de una superficie periódica sobre el espectro de exitaciones de un condensado unidimensional. Para describir el sistema, en el régimen de interacciones débiles, se utiliza la teoría de campo medio, la cual permite escribir la dinámica del condensado en términos de una función que satisface una ecuación autoconsistente (Gross-Pitaevskii). El espectro del sistema, modificado por la interacción con la superficie, presenta gaps y a partir de los mismos podría determinarse el valor de los coeficientes de Fourier del potencial Casimir-Polder lateral, ya que el espectro puede medirse por medio de espectroscopia de Bragg. Motivados por los cambios cualitativos presentes en las configuraciones unidimensionales estudiadas en el régimen de campo medio, se buscó también comprender el efecto de un potencial externo sobre un condensado unidemensional cuando las interacciones son fuertes. Este sistema, que también es accesible experimentalmente, puede ser tratado analíticamente a través de una biyección con un sistema de fermiones no interactiantes. Utilizando esta herramienta se consiguío caracterizar la distribución de impulsos del gas en el límite de impulsos grandes, encontrando que ésta presenta una ley universal de decaimiento algebraico. El resultado que desarrollaremos aquí generaliza trabajos anteriores en los que éste comportamiento fue observado sólo en casos particulares. Otro caso aún más complejo que el de una superficie periódica es el de una superficie con perfil de rugosidad estocástico, para el cual también es posible el cálculo del término lateral de la interacción de Casimir-Polder. Motivados por la posibilidad de explotar la naturaleza cuántica del condensado para detectar el efecto de la interacción con la superficie, estudiamos la expansión de un condensado unidimensional en presencia de nu potencial aleatorio. En relación con el problema de localización de Anderson de 1D, se plantea un modelo perturbativo para describir el perfir de densidad de los átomos localizados debido a la interacción con la superficie que genera el potencial estocástico. Dicho modelo nos permitió comprender el comportamiento del sistema y las predicciones derivadas de éste se corroboraron con simulacion numéricas exactas de la ecuación de Gross-Pitaevskii. Con todo esto, se estableció un marco posible para la situación del efecto de localización inducida por la interacción con la superficie estocástica.