Este trabalho relata o desenvolvimento de todo o aparato experimental para a realização de aprisionamento de césio através de uma armadilha magneto-óptica. As fontes de luz neste processo foram os lasers de diodo e todo seu sistema para operação, estabilização e redução da largura de linha foi construído. As medidas das constantes de mola e amortecimento foram realizadas como função dos parâmetros característicos das armadilhas de césio e de sódio. Também realizamos outros experimentos com átomos aprisionados de sódio na presença de duas freqüências, linha D1 e D2. A primeira medida constitui na obtenção da taxa de colisões entre átomos aprisionados na linha D1 e depois foi realizado observações de uma nova estrutura operando neste regime.
Este trabalho relata o desenvolvimento de todo o aparato experimental para a realização de aprisionamento de césio através de uma armadilha magneto-óptica. As fontes de luz neste processo foram os lasers de diodo e todo seu sistema para operação, estabilização e redução da largura de linha foi construído. As medidas das constantes de mola e amortecimento foram realizadas como função dos parâmetros característicos das armadilhas de césio e de sódio. Também realizamos outros experimentos com átomos aprisionados de sódio na presença de duas freqüências, linha D1 e D2. A primeira medida constitui na obtenção da taxa de colisões entre átomos aprisionados na linha D1 e depois foi realizado observações de uma nova estrutura operando neste regime.
Este trabalho relata o desenvolvimento de todo o aparato experimental para a realização de aprisionamento de césio através de uma armadilha magneto-óptica. As fontes de luz neste processo foram os lasers de diodo e todo seu sistema para operação, estabilização e redução da largura de linha foi construído. As medidas das constantes de mola e amortecimento foram realizadas como função dos parâmetros característicos das armadilhas de césio e de sódio. Também realizamos outros experimentos com átomos aprisionados de sódio na presença de duas freqüências, linha D1 e D2. A primeira medida constitui na obtenção da taxa de colisões entre átomos aprisionados na linha D1 e depois foi realizado observações de uma nova estrutura operando neste regime.
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.
Neste trabalho reportamos a produção da primeira armadilha magneto-ótica que confina simultaneamente duas espécies atômicas distintas: Sódio e Potássio. Para podermos realizar este aprisionamento, foi necessário vencer algumas dificuldades técnicas que justificam, inclusive, a escolha dos elementos utilizados. Nossa armadilha também foi utilizada para realizar o primeiro estudo de colisões frias entre átomos de espécies diferentes. Experimentalmente, as informações sobre essas colisões são obtidas através da medida da dinâmica de perdas da armadilha de S6dio em presença e ausência de átomos frios de Potássio. Observamos que o efeito de colisões heteronucleares e dez vezes menor do que as homonucleares. Esta diferença já era esperada devido ao menor alcance dos potenciais de interação entre átomos no caso de espécies distintas. Nossos resultados são comparados a uma teoria semi-clássica simples e se encontram em bom acordo com as previsões. Introduzimos uma nova técnica que consiste em mudar repentinamente a intensidade do laser aprisionador e observar a variação do número de átomos aprisionados. Medimos a taxa de perdas por colisão entre átomos de Potássio frios como função da intensidade do laser aprisionador. Essa técnica nos permite alcançar o regime de baixas intensidades, inclusive abaixo da intensidade de saturação, sem as limitações da técnica tradicional. Aplicamos essa técnica ao aprisionamento simultâneo e medimos a taxa de perdas por colisão do sódio na presença e ausência de potássio. Com essa medida somos capazes de estimar a seção e choque entre sódio e potássio ambos no estado fundamental
A interação entre a luz e a matéria pode dar origem a interessantes fenômenos não lineares. Entre eles, o processo da mistura de quatro ondas (MQO), que corresponde à geração de um quarto campo de luz quando três campos de luz incidem em um meio não linear, é um dos mais estudados na óptica não linear. Neste trabalho investigamos, experimental e teoricamente, o processo da MQO em uma amostra de átomos de césio esfriados e aprisionados em uma Armadilha Magneto-Óptica (AMO). Para realizar a experiência, preparamos uma nuvem densa de átomos no nível hiperfino F = 3 do estado fundamental do césio. Usamos a configuração de conjugação de fase óptica para os feixes da mistura, provenientes de um mesmo laser de diodo de cavidade externa (LDCE) e identificados por F (Foward), P (Probe) e B (Backward). Os feixes F e P têm polarizações circulares opostas e frequências iguais, que podem ser varridas simultaneamente usando um par de Moduladores Acusto-Ópticos (MAO). Estes dois feixes incidem no meio formando um pequeno ângulo de 4o entre eles. Enquanto que o feixe B com polarização oposta à do feixe F e contrapropagante a ele, é sintonizado na transição F = 3 ↔ F = 2 dentro da linha D2 do césio. O sinal gerado C é monitorado em função da frequência comum de F e P, e detetado na direção oposta à do feixe P. Nestas condições, a forma de linha do sinal obtido da MQO apresenta ressonâncias largas e estreitas, evidenciando a contribuição da coerência Zeeman induzida no sistema. Em particular, medimos a dependência do sinal C como função da intensidade do feixe de bombeio F. Realizamos também uma análise teórica do problema, modelando nosso sistema atômico como um ensemble de átomos de três níveis efetuando um cálculo perturbativo para resolver as equações de matriz densidade do sistema. Finalmente mostramos que este modelo teórico descreve qualitativamente bem as observações experimentais
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
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.