Desde o desenvolvimento de técnicas para controlar o movimento atômico usando a força de pressão de radiação, muitas aplicações tem sido sugeridas e implementadas. Entre estas, o aprisionamento atômico e o desenvolvimento de estruturas espaciais com átomos frios merece atenção especial devido à sua potencial aplicação em depósitos superficiais como litografia. Realizamos, neste trabalho, um estudo sobre feixes atômicos e sua desaceleração e compressão espacial. Realizamos também estudos numéricos sobre a formação de estruturas em anéis em feixes atômicos, verificando ser factível, e estudando também a compressão destas estruturas espaciais, com vistas a possíveis aplicações em nanolitografia atômica.
Desde o desenvolvimento de técnicas para controlar o movimento atômico usando a força de pressão de radiação, muitas aplicações tem sido sugeridas e implementadas. Entre estas, o aprisionamento atômico e o desenvolvimento de estruturas espaciais com átomos frios merece atenção especial devido à sua potencial aplicação em depósitos superficiais como litografia. Realizamos, neste trabalho, um estudo sobre feixes atômicos e sua desaceleração e compressão espacial. Realizamos também estudos numéricos sobre a formação de estruturas em anéis em feixes atômicos, verificando ser factível, e estudando também a compressão destas estruturas espaciais, com vistas a possíveis aplicações em nanolitografia atômica.
Desde o desenvolvimento de técnicas para controlar o movimento atômico usando a força de pressão de radiação, muitas aplicações tem sido sugeridas e implementadas. Entre estas, o aprisionamento atômico e o desenvolvimento de estruturas espaciais com átomos frios merece atenção especial devido à sua potencial aplicação em depósitos superficiais como litografia. Realizamos, neste trabalho, um estudo sobre feixes atômicos e sua desaceleração e compressão espacial. Realizamos também estudos numéricos sobre a formação de estruturas em anéis em feixes atômicos, verificando ser factível, e estudando também a compressão destas estruturas espaciais, com vistas a possíveis aplicações em nanolitografia atômica.
As armadilhas magneto-ópticas resfriam e aprisionam átomos em uma determinada região, formando nuvens de átomos frios. Conforme a configuração da armadilha, pode-se obter nuvens em diferentes geometrias, como esféricas ou em forma de anel. As armadilhas tem uma grande gama de aplicações, como a construção de relógios atômicos, a obtenção do condensado de Bose-Einstein e o estudo de colisões, no qual a geometria em anel se torna interessante para o estudo em baixas dimensões. Para conhecer os parâmetros da armadilha é necessário fazer sua caracterização. Parâmetros adequados permitem otimizar a armadilha e melhorar a performance da mesma. O objetivo de nosso trabalho é estudar o comportamento do movimento dos átomos e das forças que atuam sobre eles ao variar alguns parâmetros da armadilha, como por exemplo o gradiente de campo magnético, a dessintonia entre a frequência do laser e da transição atômica, a intensidade dos feixes laser e o perfil de intensidade dos feixes. Utilizando o método de integração de Runge- Kutta, apresentaremos simulações da trajetória de um átomo aprisionado e o raio da órbita variando os mesmos parâmetros da armadilha anteriormente citados. Na literatura encontra-se a descrição da força exercida sobre os átomos aprisionados com feixes laser de perfil gaussiano na configuração tradicional e também com um pequeno desalinhamento. A partir da dedução da força sobre os átomos aprisionados com feixes laser de perfil gaussiano, apresentaremos algumas considerações feitas para encontrar a força que atua sobre os átomos com feixes de perfil não gaussiano e simulações realizadas nesta nova consideração. Desta forma, poderá se verificar se existe a possibilidade de aprisionar átomos com feixes de outros perfis de intensidade.
A~AONos ultimos anos tem side grande 0 interesse no estudo da obtenQao de amostras de atomos frios e de altas densidades.(1) Tais amostras podem ser uteis em experiencias de espectroscopia de alta resoluQao, produQao de padroes de frequencias e re16gios atomicos, e estudos de processos de colisao.Alem disto, se obtivermos amostras com velocidades tais que 0 comprimento de onda de de Broglie associado ao atomo (lD) seja da ordem da distancia interatomica, efeitos quanticos coletivos tal como condensaeao de observados.Uma Bose-Einstein, poderiam em das formas de obter-se estas principio serem amostras e atraves da tecnicas de desaceleraeao de feixes at6micos.(2) Uma outra, e mais investigada atualmente, e a tecnica de aprisionamento de atomos neutros usando armadilhas magneto-opticas.Ate 1987, existiam duas formas de construir-se armadilhas para atomos neutros.Uma delas emprega a forea magnetica atuante no atomo quando ele esta em uma regiao de campo magnetico nao homogeneo (3) e a outra refere-se ao uso da forea de presao de radiaQao para confina-lo.(4)Basicamente, a ideia que suporta a armadilha magnetica e 0 fato que estados fundamentais eletr6nicos de certos atomos com spins eletr6nicos desemparelhados tem energia que aumenta com 0 campo magnetico, produzindo assim uma forQa restauradora sobre eles, na direQao do minima de campo.A primeira armadilha optica foi proposta por Ashkin (4) em 1978 e consiste de dois lasers contrapropagantes focalizados.Nesta configuracao existe uma forca restauradora axial devido a forca espontanea e uma forca restauradora transversal devido ao gradiente do campo induzida).Entretanto, a primeira observaCao de atomos aprisionados opticamente devido a forca espontanea, foi realizada em 1985 por S. Chu et.al,(5) em atomos de sodio (Na).A configuraCao experimental utilizada constitui-se de um arranjo tridimensional de feixes contrapropagantes sintonizados abaixo da frequenci~de ressonancia.De acordo com a assertiva de H~sch e Schawlow (6) isto causa uma forca oposta a velocidade do atomo, ou seja uma forca viscosa.Por isto esta tecnica e denominada de melado optico.A densidade de atomos confinados por esta tecnica foi da ordem de 10~m-3, com temperatura da ordem de 240uK, que corresponde ao limite de temperatura minima fornecido pela teoria aprisionados neste limite e de aproximadamente 60cm/s.Na verdade o melado optico nao e uma verdadeira armadilha pois nao existe forca restauradora presente e 0 tempo de confinamento dos atomos e de apenas 100 ms, que e muito menos que 0 obtido pela tecnica discutiremos a seguir.
Neste trabalho, abordamos o desenvolvimento de um sistema experimental para resfriamento laser e aprisionamento magneto-optico de atomos de calcio, o desenvolvimento de fontes laser empregadas nesse sistema, bem como estudos espectroscopicos de transicoes desse elemento em descargas eletricas de catodo oco. No caso do calcio, a transicao optica mais eficiente para a manipulacao do movimento dos atomos por pressao de radiacao e a 1 S0-1 P1 em 423 nm. Uma das fontes de radiacao laser que desenvolvemos para esse comprimento de onda consiste de um laser de Ti:Safira estabilizado e duplicado em frequencia. A frequencia desse laser e travada a ressonância de uma cavidade de Fabry-Perot de referencia.
O segundo harmonico do laser e gerado por conversao nao-linear em um cristal de niobato de potassio situado em uma cavidade externa de amplificacao. Investigamos o uso de lâmpadas de catodo oco de calcio como ferramentas espectroscopicas de alta resolucao. A variacao na impedância da descarga eletrica que ocorre com a excitacao laser, o efeito optogalvânico, e uma tecnica de alta sensibilidade que simplifica consideravelmente a deteccao e a sintonia em transicoes atomicas muito fracas como a 1 S0-3 P1 em 657 nm. O sistema de resfriamento e aprisionamento de atomos de calcio e o ultimo topico abordado neste trabalho. Nesse sistema, atomos provenientes de um feixe atomico termico sao resfriados pela tecnica de desaceleracao Zeeman e entao capturados em uma armadilha magneto-optica. Empregamos um esquema alternativo de desaceleracao Zeeman que usa um feixe laser com a mesma frequencia dos feixes da armadilha. Estudamos a variacao do numero estacionario de atomos aprisionados com varios parâmetros, como o gradiente de campo magnetico, a dessintonia e a intensidade dos feixes laser de aprisionamento e desaceleracao. Analisamos tambem a evolucao temporal do numero de atomos aprisionados. Esse estudo mostrou que o tempo de armazenamento na armadilha e limitado por perdas devido ao bombeamento optico de niveis metaestaveis do calcio. Essas perdas por bombeamento optico sao muito maiores do que as perdas decorrentes de colisoes binarias entre os atomos frios. Nesse regime, o comportamento nao-exponencial do numero de atomos torna-se muito dificil de ser observado. Todavia, constatamos que e possivel extrair informacoes relativas a taxa de perdas por colisoes frias comparando as constantes de tempo exponenciais das curvas de carga e descarga
Abstract
Este trabalho visa o estudo de colisões atômicas mediadas por fótons. Devido à presença da luz ressonante consideramos em nosso sistema os processos de excitação e decaimento atômicos. Em particular, o decaimento atômico tem sua importância no estudo das armadilhas magneto-ópticas, pois este decaimento poder ser um dos fatores que limita a permanência dos átomos confinados neste tipo de armadilha. Apresentaremos uma formulação inédita para a resolução numérica das equações de populações e coerências que descrevem o processo colisional para um par atômico de átomos de dois níveis. Nesta formulação, não utilizamos aproximação, com isso foi possível também, neste trabalho, checarmos a validade da teoria semi-clássica, uma vez que esta é elaborada por um método aproximativo. Comparando nossa formulação, ao qual batizamos de formalismo quântico, com o formalismo semi-clássico, verificamos que a validade deste último restringe-se quando atribuímos determinados valores para o momentum e largura do pacote de ondas, associado à partícula reduzida. Baseado nas redes-ópticas, apresentaremos também um modelo de experimento que possibilite a preparação de um estado inicial para dois átomos colidentes na presença de um feixe laser de prova. Um outro estudo consiste em verificarmos a existência de um potencial efetivo que possibilite descrever o mesmo resultado, assintoticamente, utilizando os formalismos quântico e o Liouvilliano clássico
Devido à necessidade de caracterizar as armadilhas magneto-ópticas (AMO), as quais fornecem amostras densas de átomos frios, e de extrema importância o conhecimento dos valores das constantes mecânicas k e β inerentes ao movimento harmônico super amortecido dos átomos nestas armadilhas. Neste trabalho, obtivemos estas constantes usando a técnica que aplica uma oscilação forçada aos átomos aprisionados através de um pequeno campo magnético oscilante adicional de forma a não perturbar o aprisionamento. Fizemos um estudo destas constantes como função de alguns parâmetros inerentes ao aprisionamento, como por exemplo: intensidade dos feixes laser, gradiente de campo magnético e dessintonia. A manipulação de átomos aprisionados, obtida através da observação de diversas estruturas espaciais dos mesmos, mostra um certo controle sobre estes átomos e a obtenção de valores para a temperatura dos átomos nestas estruturas, permite uma maior compreensão do mecanismo de aprisionamento. Nos detivemos então, na medida da temperatura dos átomos aprisionados em estrutura espacial do tipo anel além de propor um modelo teórico simples capaz de justificar os resultados obtidos.