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.
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.
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.
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.
Se estudia el estado fundamental de condensados de Bose-Einstein en redes optica. El condensado de Bose-Einstein (BEC) es una muestra de gas diluido ultrafrio en un estado coherente previamente confinado en una trampa magnetica. El BEC se transfiere a una red optica que se configura con un arreglo de laseres contrapropagantes, formandose un campo de luz estacionario en cuyos pozos de potencial se depositan fragmentos del condensado. En la aproximacion de campo medio el sistema BEC+red optica se estudia con la ecuacion de Schrodinger no lineal conocida como ecuacion de Gross-Pitaevskii. Aplicando el metodo de flujo de gradiente normalizado y el metodo espectral de division temporal solucionamos numericamente la ecuacion de Schrodinger no lineal para encontrar el estado fundamental de condensados de Bose-Einstein en redes opticas.
En esta tesis se analizan diferentes efectos fisicos relacionados con los llamados atomos frios, esto es atomos con una distribucion de momento muy estrecha, y consecuentemente muy extendidos en el espacio. Estos atomos presentan comportamientos de tipo ondulatorio que son estudiados por la asi llamada optica de atomos. La primera parte de la tesis se enmarca en este campo, y en ella se estudian tres tipos de fenomenos: Reflexion atomoca no adiabatica en un espejo laser, transmision atomica de tipo Fabry-Perot, y lo que hemos llamado estructuras de GAP atomico. En una segunda parte analizamos los efectos de la dinamica del centro de masas de un atomo frio sobre la fluorescencia en resonancia. En la tercera parte estudiamos nuevos metodos de enfriamiento laser de gases basonicos atrapados que permiten optimistas perspectivas de conseguir la condensacion de Bose-Einstein usando tan solo tecnicas de enfriamiento laser..
Debido al caracter dual que presenta la materia, esta se puede comportar como un corpusculo o una onda, lo cual permite que bajo una serie de condiciones el caracter dominante sea el ondulatorio y la materia se comporte como una onda, onda de materia. Aqui radica la base de la Optica Atomica en la que luz y materia intercambian sus papeles. A diferencia de la Optica Clasica en la que la luz es el objeto propagante y la materia es empleada para guiar los haces luminicos, en la Optica Atomica la luz se emplea para modificar el estado interno de los atomos (materia) que son el objeto propagante. Gracias a la estructura interna que poseen los atomos se ganan nuevos grados de libertad internos respecto a la Optica Clasica, ofreciendo asi nuevas posibilidades. De esta forma los atomos no solo se pueden propagar, tambien pueden ser almacenados en trampas opticas, enfriados a temperaturas ultrafrias dando lugar a nuevos estados de la materia, pueden ser controlados con una gran precision, ... La presente Tesis estudia la dinamica de las ondas de materia y en particular los denominados efectos transitorios cuanticos, caracteristicas temporales que presentan las ondas de materia antes de alcanzar un estado estacionario. Ademas se analizara la dinamica de las ondas de materia en guias de onda laser, proponiendose esta configuracion como diodo atomico (dispositivo que consigue que los atomos viajen en un unico sentido independientemente de su movimiento inicial) y como simulador de reacciones quimicas colineales de 3 cuerpos. Finalmente se propondran diversas tecnicas (atajos a la adiabaticidad) para una rapida manipulacion de las ondas de materia sin alterar sus propiedades cuanticas.