Interacoes dos atomos com superficies modificam os graus de liberdade
internos e externos desses atomos quando proximos a elas. A interacao dominante
de longo alcance (ate a ordem do comprimento de onda das transicoes atomicas) e a
interacao de van derWaals, geralmente atrativa. Nesta tese e abordado o coeficiente
C3, caracteristico dessa interacao e dependente da superficie e temperatura, determinado
atraves do uso de uma tecnica espectroscopica (Reflexao Seletiva). Trata-se
tambem da transferencia de excitacao de longo alcance (efeito Forster) do atomo
para a superficie. A curtas distâncias (dimensoes atomicas), a interacao torna-se
repulsiva, devido a sobreposicao dos orbitais eletronicos do atomo incidente e dos
constituintes da superficie. A soma das contribuicoes de curto e de longo alcance
resulta em um poco de potencial com niveis discretos de energia que sao simulados
em uma transferencia otica para esses estados ligados.
As fontes de radiacao utilizadas nas experiencias da primeira parte desta
tese sao lasers de diodo ressonantes, cujas caracteristicas espectrais precisam ser
modificadas no laboratorio para eles se tornarem ferramentas adequadas para a realizacao
de tais experiencias de espectroscopia de alta resolucao. A Parte II da
tese trata de diodos lasers, iniciando com a descricao de tecnicas de estabilizacao
e chegando a uma nova tecnica desenvolvida no laboratorio durante este trabalho
de doutorado, onde a frequencia do laser e controlada atraves de um retorno otico
com polarizacao ortogonal no diodo acoplado a transicao atomica. Outros efeitos
relacionados a essa tecnica de estabilizacao, como o fenomeno de bi-estabilidade,
sao descritos e interpretados no ultimo capitulo desta tese.
Interacoes dos atomos com superficies modificam os graus de liberdade
internos e externos desses atomos quando proximos a elas. A interacao dominante
de longo alcance (ate a ordem do comprimento de onda das transicoes atomicas) e a
interacao de van derWaals, geralmente atrativa. Nesta tese e abordado o coeficiente
C3, caracteristico dessa interacao e dependente da superficie e temperatura, determinado
atraves do uso de uma tecnica espectroscopica (Reflexao Seletiva). Trata-se
tambem da transferencia de excitacao de longo alcance (efeito Forster) do atomo
para a superficie. A curtas distâncias (dimensoes atomicas), a interacao torna-se
repulsiva, devido a sobreposicao dos orbitais eletronicos do atomo incidente e dos
constituintes da superficie. A soma das contribuicoes de curto e de longo alcance
resulta em um poco de potencial com niveis discretos de energia que sao simulados
em uma transferencia otica para esses estados ligados.
As fontes de radiacao utilizadas nas experiencias da primeira parte desta
tese sao lasers de diodo ressonantes, cujas caracteristicas espectrais precisam ser
modificadas no laboratorio para eles se tornarem ferramentas adequadas para a realizacao
de tais experiencias de espectroscopia de alta resolucao. A Parte II da
tese trata de diodos lasers, iniciando com a descricao de tecnicas de estabilizacao
e chegando a uma nova tecnica desenvolvida no laboratorio durante este trabalho
de doutorado, onde a frequencia do laser e controlada atraves de um retorno otico
com polarizacao ortogonal no diodo acoplado a transicao atomica. Outros efeitos
relacionados a essa tecnica de estabilizacao, como o fenomeno de bi-estabilidade,
sao descritos e interpretados no ultimo capitulo desta tese.
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
Neste trabalho, observamos evidências da interação de longo alcance entre átomos de Rydberg usando um processo não linear, a geração de segundo harmônico (SHG), em um vapor contendo alta densidade de átomos de rubídio.O sinal de segundo harmônico, ressonante por dois fótons, é observado a partir de estados altamente excitados, s , p e d, onde a assinatura da interação de longo alcance aparece como um alargamento espectral assimétrico para o lado de baixas energias das linhas de ressonância. Esta assimetria é comparada com cálculos teóricos das curvas de potencial assintóticas para os pares de átomos interagentes, mostrando uma boa concordância dos resultados experimentais com as previsões teóricas. Para estados de Rydberg nd, com número quântico principal n≈13, um estudo detalhado da dependência do alargamento com a intensidade do laser de excitação e para diferentes densidades atômicas foi realizado. A observação de uma fraca dependência da intensidade do sinal com a densidade atômica sugere uma supressão da excitação coerente, e/ou a participação de outros processos de decaimento. Para os estados de Rydberg np, com n≈12 , observamos um comportamento distinto para o dubleto de estrutura fina, P 1/2 e P 3/2. Enquanto as linhas P 3/2 apresentam um alargamento assimétrico e uma fraca dependência com a densidade atômica, semelhante ao observado para as linhas nd, as linhas P 1/2, permanecem estreitas e apresentam uma dependência diferenciada com a densidade atômica. Nossos experimentos, usando vapor de Rb com alta densidade atômica e um processo não linear coerente, podem ser vistos como proposta de uma técnica não destrutiva para investigar interação de longo alcance e suas possíveis aplicações em informação quântica
Os lasers semicondutores sao dispositivos oticos muito usados em varios campos de pesquisas, tais como em fisica atomica e em espectroscopia, e em aplicacoes tecnologicas, por serem dispositivos oticos muito acessiveis se comparados a outros tipos de lasers. Eles estao disponiveis em uma grande variedade de comprimentos de ondas e possuem baixo custo. Por serem dispositivos de ganho alto e cavidade pobre, os lasers de diodo sao bastante sensiveis a realimentacao otica, tendo sua potencia, frequencia e fase alteradas. Esta propriedade e comumente usada para modificar propriedades de emissao do diodo laser. Dois tipos de realimentacao otica sao tipicamente usados: realimentacao paralela e ortogonal. No caso em que a realimentacao paralela e utilizada, ha usualmente uma variacao da potencia emitida pelo laser. Em contrapartida, quando a realimentacao ortogonal e utilizada, ou seja, quando a luz reinjetada no diodo tem polarizacao ortogonal aquela de emissao, a potencia emitida permanece inalterada e ocorre modificacao exclusivamente na frequencia emitida. O grupo de Fisica Atomica e Lasers mostrou que usando realimentacao ortogonal filtrada espectralmente por um vapor atomico e possivel reduzir a largura de linha do laser de diodo e obter biestabilidade em frequencia para a emissao laser. Os resultados citados acima nao apresentam comportamento dinâmico. A fim de observar comportamento dinâmico em frequencia, como oscilacoes e caos, devemos aumentar a dimensionalidade do sistema. Para aumentar a dimensionalidade do sistema montamos um experimento com dois lasers acoplados atraves de injecao mutua com polarizacao ortogonal. Os feixes dos dois lasers sao acoplados em uma celula de vapor atomico em uma configuracao tipo absorcao saturada. Mostramos que com esta configuracao e possivel observar oscilacoes exclusivamente na frequenciados lasers. Afim de tentar entender a origem destas oscilacoes, analisamos como a transmissao do filtro espectral, a ser injetada no laser oposto, depende das frequencias dos dois lasers e qual as consequencias na variacao de frequencia dos lasers induzida pela realimentacao.
Neste trabalho estudamos, experimental e teoricamente, as flutuações de campos eletromagnéticos após a interação com sistemas atómicos em configuração de dois níveis com degenerescências. Estes sistemas atómicos eram preparados em superposições coerentes de seus estados obtidas através dos fenômenos de Transparência e Absorção Eletromagneticamente Induzidas. O sistema físico foi considerado em dois modelos teóricos semiclássicos distintos: resposta atómica linear e difusão de fase. Estes modelos se baseiam no fato de que lasers de díodo possuem excesso de ruído na fase, que durante o processo de interação coerente com o sistema atómico é transferido ressonantemente para o ruído de intensidade. Em nossa análise, observamos resultados não triviais em relação aos sinais de ruído e correlação entre os campos medidos. Verificamos que, num vapor atómico, a largura Doppler associada à transição tem um papel fundamental na composição elo sinal ele ruído. Observamos que mesmo transições que, a priori, estariam não ressonante podem ter contribuição significativa para o sinal ele ruído. Os modelos teóricos desenvolvidos apresentaram um bom acordo qualitativo com parte dos dados experimentais e se mostraram uma ferramenta útil para a análise da influência dos efeitos coerentes nas flutuações elos campos, quando o laser possui excesso de ruído ele fase.
Aos colegas do grupo de pesquisa, À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo apoio financeiro, À minha família e aos meus amigos.v Resumo Nesta tese estudamos um sistema de duas cavidades acopladas e sua interação com átomos de dois níveis bem como com íons aprisionados.Para o acoplamento entre as cavidades consideramos dois mecanismos distintos: (1) acoplamento pela sobreposição dos campos e; (2) acoplamento via fibra óptica.Considerando a interação dos campos acoplados com átomos de dois níveis nós observamos o emaranhamento em um sistema tripartite (quando as cavidades estão interagindo com apenas um átomo).Também foi possível obter a transferência do estado quântico entre dois átomos localizado em cavidades diferentes.Além disso elaboramos uma proposta relativamente simples para a geração de estados maximamente emaranhados (estados de Bell) entre dois átomos utilizando as duas cavidades acopladas.Por último, estudamos dois íons aprisionados, cada um deles localizado no interior de cavidades diferentes.As duas cavidades sendo conectadas por uma fibra óptica.Neste caso foi possível observar a transferência de um conjunto de estados de doisqubits a partir dos graus de liberdade (de movimento e dos estados internos) de um dos íons para o outro, localizado em uma cavidade diferente.Nas propostas envolvendo a transferência de estados quânticos e a geração de estados de Bell foram incluídos os efeitos de dissipação devido à presença de um reservatório de temperatura T = 0K.Com isso pudemos concluir que as propostas são confiáveis para as reais taxas de dissipação observadas em experimentos.vi
Neste trabalho estudamos, experimental e teoricamente, as flutuações de campos eletromagnéticos após a interação com sistemas atómicos em configuração de dois níveis com degenerescências. Estes sistemas atómicos eram preparados em superposições coerentes de seus estados obtidas através dos fenômenos de Transparência e Absorção Eletromagneticamente Induzidas. O sistema físico foi considerado em dois modelos teóricos semiclássicos distintos: resposta atómica linear e difusão de fase. Estes modelos se baseiam no fato de que lasers de díodo possuem excesso de ruído na fase, que durante o processo de interação coerente com o sistema atómico é transferido ressonantemente para o ruído de intensidade. Em nossa análise, observamos resultados não triviais em relação aos sinais de ruído e correlação entre os campos medidos. Verificamos que, num vapor atómico, a largura Doppler associada à transição tem um papel fundamental na composição elo sinal ele ruído. Observamos que mesmo transições que, a priori, estariam não ressonante podem ter contribuição significativa para o sinal ele ruído. Os modelos teóricos desenvolvidos apresentaram um bom acordo qualitativo com parte dos dados experimentais e se mostraram uma ferramenta útil para a análise da influência dos efeitos coerentes nas flutuações elos campos, quando o laser possui excesso de ruído ele fase.