Apresentamos os aspectos mais relevantes para a construção e caracterização de um padrão primário de tempo e frequência compacto. Nesse sistema a amostra de átomos de referência é preparada a partir de uma armadilha magneto-óptica. Após a obtenção de uma amostra significativa de átomos os feixes laser são desligados e, durante a expansão livre, a nuvem atômica é submetida a uma sequência de pulsos de micro-ondas que caracterizam o método de Ramsey. Os pulsos de micro-ondas são aplicados em uma cavidade de micro-ondas, esculpida dentro da câmara de vácuo. Todo o ciclo de funcionamento é implementado dentro dessa cavidade e por esse motivo o padrão é considerado compacto. Quando os átomos são interrogados com pulsos de τ = 1 ms separados por Τ = 8 ms obtemos uma largura a meia altura da franja central de 52 Hz e uma estabilidade a curto prazo de 10-13. Alguns causadores de deslocamentos de frequência foram avaliados.
Apresentamos os aspectos mais relevantes para a construção e caracterização de um padrão primário de tempo e frequência compacto. Nesse sistema a amostra de átomos de referência é preparada a partir de uma armadilha magneto-óptica. Após a obtenção de uma amostra significativa de átomos os feixes laser são desligados e, durante a expansão livre, a nuvem atômica é submetida a uma sequência de pulsos de micro-ondas que caracterizam o método de Ramsey. Os pulsos de micro-ondas são aplicados em uma cavidade de micro-ondas, esculpida dentro da câmara de vácuo. Todo o ciclo de funcionamento é implementado dentro dessa cavidade e por esse motivo o padrão é considerado compacto. Quando os átomos são interrogados com pulsos de τ = 1 ms separados por Τ = 8 ms obtemos uma largura a meia altura da franja central de 52 Hz e uma estabilidade a curto prazo de 10-13. Alguns causadores de deslocamentos de frequência foram avaliados.
O segundo é uma unidade fundamental do Sistema Internacional de Unidades (SI), atualmente definida a partir da frequência da transição hiperfina do estado fundamental do átomo de césio-133. A elevada precisão associada a essa definição constitui a base dos padrões modernos de tempo e frequência, sendo essencial para diversas tecnologias que exigem sincronização rigorosa, como sistemas de navegação por satélite, telecomunicações e metrologia de precisão. Apesar do desempenho metrológico alcançado por relógios atômicos primários, como os do tipo chafariz, esses sistemas apresentam elevada complexidade experimental, grandes dimensões físicas e baixa portabilidade, o que motiva a busca por arquiteturas mais compactas e robustas. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento e a caracterização de um sistema de resfriamento e aprisionamento de átomos frios de césio, com foco em aplicações em relógios atômicos compactos. O sistema desenvolvido emprega técnicas de desaceleração e resfriamento utilizando uma configuração de feixe único refletido em uma cavidade cônica de espelhos para a geração dos feixes contrapropagantes necessários à arquitetura de armadilha magneto-óptica (MOT). Essa abordagem permite a redução significativa do número de componentes ópticos, simplificando o alinhamento experimental e favorecendo a compactação do sistema. Foram implementados e caracterizados os subsistemas ópticos, eletrônicos e de vácuo necessários à operação contínua da armadilha. Como resultado, foi obtida experimentalmente uma nuvem de átomos frios de césio aprisionados, evidenciando o correto funcionamento do sistema proposto e sua viabilidade como fonte de átomos frios. Os resultados demonstram que a arquitetura desenvolvida constitui uma plataforma promissora para a integração de estágios subsequentes, como o resfriamento Doppler e a interrogação por micro-ondas, visando à implementação futura de um relógio atômico compacto e transportável. Este trabalho contribui, assim, para o avanço de tecnologias quânticas aplicadas à metrologia de tempo e frequência.
Desenvolvimentos de referências primárias em tempo e frequência são completamente necessários hoje em dia pelas vantagens de suas aplicações em pesquisas fundamentais, metrologia científica e industrial, telecomunicações, defesa, entre outras. O objetivo deste trabalho é apresentar um chafariz de átomos frios em desenvolvimento nos laboratórios da USP de São Carlos para atuar como referência primária de tempo e frequência, além das diferentes otimizações que fazem dele um sistema de alto desempenho. Primeiramente foi realizada uma mudança da mesa óptica para obter boa estabilidade no sistema óptico, além de uma alteração dos obturadores mecânicos, encarregados de interromper os feixes na sequência da operação do chafariz. O tempo de carga e o número de átomos foram melhorados neste estágio, permitindo reduzir o tempo de ciclo do sistema de tc = 5, 2 s para tc = 2 s. O conjunto de bobinas de compensação de campos espúrios externos junto ao sistema de blindagem magnética foi caracterizado, além do Campo C-Field que foi otimizado para diminuir em mais de sete vezes a variação na região de interrogação. Depois de todas as alterações, foi possível obter sinais de tempo de voo com uma relação Sinal/Ruído = 53 dB. A franja de Ramsey central tem melhor qualidade, relação sinal/ruído ≈ 200 sem médias nas medidas. Franjas laterais (mF = ±1) também foram observadas com contraste pela primeira vez neste experimento. Um cálculo da Probabilidade de Ramsey foi feito, introduzindo a distribuição de velocidades da nuvem atômica para caracterizar a franja de Ramsey e com ele estimar parâmetros como: a Temperatura da nuvem T = 6, 3 μK, a largura do pico central ΔνRamsey = 1, 69 MHz, assim como os tempos de interação τ = 0, 0239 s e o tempo de evolução T = 0, 2958 s. Além disso, a estabilidade fracional do relógio foi estimada para τ = 1 s, a qual teve um valor de σy (1s) = 1, 25 × 1013, o que é um grande ressultado desta tese. Por último, foi feita uma estimativa do deslocamento de frequência devido ao efeito de radiação de corpo negro, resultando em Δν/ν = 26,285 × 1015 com uma incerteza de 5,927 × 1017
Neste trabalho apresentamos a construção e caracterização de uma armadilha magneto-óptica, a qual utilizamos para aprisionamento de átomos de Rb. Após a construção da armadilha e sua caracterização, fizemos experimentos para estudar os efeitos da luz de banda larga sobre os átomos aprisionados. Para esse estudo, utilizamos lâmpadas incandescentes que possuem um espectro largo de comprimentos de onda. Verificamos que em uma armadilha com 109 átomos aprisionados, a luz de banda larga aumenta a fluorescência emitida pela nuvem de átomos, tendo fortes indícios que isto representa efetivamente um aumento na eficiência da armadilha. No entanto, com os experimentos que fizemos, não podemos distinguir se essa diferença é referente a um aumento de átomos aprisionados ou apenas espalhamento de luz causado pelo aumento da intensidade de luz incidida sobre a nuvem. Fizemos então uma comparação da resposta dos átomos, frente a variações na intensidade dos feixes de laser utilizados para o aprisionamento. Por motivos que serão discutidos neste trabalho, refizemos esse estudo com um número menor de átomos aprisionados, 108 átomos, e verificamos que o aquecimento das lâmpadas reflete no aumento das perdas na armadilha, diminuindo então o número de átomos aprisionados. Isto nos levou a fazer um estudo sobre a dinâmica das colisões presentes na armadilha, para entendermos a influência da temperatura na eficiência da armadilha. Verificamos que um pequeno aumento uniforme na temperatura da câmara levaria a grandes perdas na armadilha, mas o aumento da temperatura causado pelas lâmpadas é um aumento local, e gera um processo de desgaseificação da câmara, aumentando a quantidade de átomos, "diferentes de Rb", presentes no vapor de fundo.
Lasers de fentosegundos (fs) com alta taxa de repetição, travamento de modos e estabilidade na fase, produzem um padrão de frequência composto por uma grande quantidade de modos estreitos, conhecido como pente de frequências. A interação de um sistema de dois níveis com alargamento Doppler com um trem de pulsos, para o caso em que os tempos de vida atômicos são maiores do que o período de repetição do laser, leva a acumulação na população e na coerência. Para essa condição, os átomos interagem com todos os modos de um pente de frequências, e não com o espectro de um único pulso. Nesse trabalho, usamos a técnica do acoplamento de dois feixes ( two-beam coupling ) para investigar a acumulação coerente em átomos de rubídio. Para o feixe pulsado, utilizamos um laser de Titânio-safira com pulsos da ordem de 200 fs, taxa de repetição de 76 MHz e comprimento de onda centrado em 780 nm, correspondendo à energia de excitação da transição 5S1=2 ��5P3=2 do rubídio. Para o feixe contínuo, usamos um laser de diodo sintonizável em 780 nm, com largura de linha da ordem de 1 MHz. Nós detectamos a variação na energia do laser contínuo devido à sua interação com o laser de fentosegundos, usando um chopper no feixe de fs e um amplificador lock-in. Os resultados são obtidos como função da frequência do feixe contínuo para diferentes intensidades e densidades atômicas. Na temperatura ambiente e com o feixe contínuo fraco, nós claramente observamos o pente de frequências impresso no perfil Doppler dos átomos de Rb, em concordância com resultados recentes. Para altas densidades atômicas, a forte absorção do feixe contínuo nas frequências de ressonância gera duas regiões espectrais com comportamentos diferentes em relação à absorção e amplificação. Simulações numéricas das equações de Bloch, para um sistema atômico de quatro níveis, levando em conta a interação com ambos os feixes em todas as ordens dos campos, são apresentadas. Nós discutimos os resultados como uma consequência do laser de diodo interagir preferencialmente com transições abertas ou cíclicas, e obtemos uma boa concordância entre as simulações e o experimento quando a propagação do laser de diodo pelo meio também é considerada
Apresentamos os aspectos mais relevantes para se realizar um chafariz a átomos frios de 133Cs, para operá-lo como um padrão primário de tempo e freqüência para realizar a definição do segundo. O objetivo principal desse trabalho foi a otimização do sistema experimental do chafariz de átomos em duas partes críticas: a região de interação e o sistema de detecção. Além disso, otimizamos as diversas fases da manipulação óptica que fazem parte do ciclo de operação de um chafariz com o intuito de aumentar a relação sinal ruído na região de detecção. Quando os átomos são lançados com uma velocidade de 3,39ms-1, atingem o ápice a 60cm acima da região de captura e passam 360ms na região de vôo livre. A temperatura dos átomos na região de detecção não ultrapassa 15,5K e a diferença de população observada através das Franjas de Ramsey, que são a assinatura característica de um padrão de freqüência atômico, tem a largura a meia altura de 1,4Hz. A largura de linha e a relação sinal ruído da franja implicam em uma estabilidade a curto prazo de 5,18×1012. Alguns causadores de deslocamentos de freqüência como a radiação de corpo negro, o efeito Doppler de segunda ordem, o efeito gravitacional e o efeito Zeeman de segunda ordem foram avaliados.
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