En esta tesis se analizan distintos dispositivos basados en la sintonizacion de la longitud de dispersion de las particulas que forma el condensado en zonas controladas de espacio. De esta manera, se disena un laser pulsado de atomos; un laser continuo, para el que se sintonizan tambien las interacciones elasticas a tres cuerpos; un acelerador de atomos basado en el uso de una red optica modulada en amplitud; unas pinzas opticas mediante el uso de un haz laser para extraer un numero controlado de atomos del condensado; y un interferometro basado en la emision de parejas de solitones contrapropagantes y simetricos. Finalmente, en el ultimo capitulo se presenta el trabajo emperimental que se esta realizando en el laboratorio de optica y cuya finalidad es crear un condensado de Bose-einstein de atomos de 87Rb.
En esta tesis se analizan distintos dispositivos basados en la sintonizacion de la longitud de dispersion de las particulas que forma el condensado en zonas controladas de espacio. De esta manera, se disena un laser pulsado de atomos; un laser continuo, para el que se sintonizan tambien las interacciones elasticas a tres cuerpos; un acelerador de atomos basado en el uso de una red optica modulada en amplitud; unas pinzas opticas mediante el uso de un haz laser para extraer un numero controlado de atomos del condensado; y un interferometro basado en la emision de parejas de solitones contrapropagantes y simetricos. Finalmente, en el ultimo capitulo se presenta el trabajo emperimental que se esta realizando en el laboratorio de optica y cuya finalidad es crear un condensado de Bose-einstein de atomos de 87Rb.
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 esta tesis doctoral se analizaron dos sistemas coherentes de gran relevancia en la Física moderna y que se encuentran íntimamente conectados por la denominada ecuaci ón no lineal de Schrödinger [1] : el condensado de Bose-Einstein [2] y la propagación de la luz en medios ópticos no lineales [3]. Esta tesis se encuadra, por tanto, en el estudio de una ecuación de gran importancia en el ámbito de la Física, llegando incluso a trascender dicha disciplina gracias a su carácter científico universal [4].\n\t\t\t\t Para concretar, esta tesis doctoral se enmarca en el estudio te órico de diferente fenomenología y propiedades de los dos campos previamente mencionados y de las ondas no lineales (particularmente de los llamados solitones [5]) que se manifiestan en ellos: \n\t\t\t\t En el contexto del condensado de Bose-Einstein abordamos principalmente diversos protocolos de emisión controlada de solitones de materia. Este control se lleva a cabo mediante la manipulación en el tiempo y en el espacio de la denominada longitud de scattering del condensado (parámetro que controla las interacciones entre las partículas que lo integran), el cual, desde el punto de vista experimental, implica el uso de campos magnéticos y ópticos conocidos como resonancias de Feshbach [6]. Diversas posibilidades como el diseño de un divisor de haz para un interferómetro atómico [7], o la capacidad de extracción de materia con materia y producción de supersolitones [8] son también reportadas.\n\t\t\t\t En el contexto de la Óptica no lineal analizamos algunas propiedades de la denominada "luz líquida" [9], fenómeno que se produce cuando haces de luz de alta intensidad (normalmente láser) se propagan a través de medios ópticos con una no linealidad cúbico-quíntica. En concreto, discutimos las características de la cavitación coherente [10] y los efectos de la fuerza de arrastre [11] en este sistema. Para concluir, estudiamos las soluciones solitónicas de una guía de ondas de triple núcleo con simetría paridad-tiempo [12].\n\t\t\t\t Referencias:\n\t\t\t\t [1] C. Sulem, and P.L. Sulem, "The Nonlinear Schr ödinger Equation: Self-Focusing and Wave Collapse", Ed. Springer, vol. 139 (1999).\n\t\t\t\t [2] A.J. Leggett, Reviews of modern physics 73, 307 (2001).\n\t\t\t\t [3] G.P. Agrawal, "Nonlinear Fiber Optics", Ed. Elsevier/Academic Press, New York (2013); M.L. Calvo and V. Lakshminarayanan, "Optical Waveguides: From Theory to Applied Technologies", Ed. CRC Press (2007).\n\t\t\t\t [4] E. Infeld, and G. Rowlands, "Nonlinear Waves, Solitons and Chaos", Ed. Cambridge University Press (2000).\n\t\t\t\t [5] L. Lam, "Introduction to Nonlinear Physics", Ed. Springer Science & Business Media (2003).\n\t\t\t\t [6] C. Chin, R. Grimm, P. Julienne, and E. Tiesinga, Reviews of Modern Physics 82, 1225 (2010).\n\t\t\t\t [7] H. Michinel, Á. Paredes, M.M. Valado and D. Feijoo, Physical Review A 86, 013620 (2012).\n\t\t\t\t [8] D. Feijoo, Á. Paredes, and H. Michinel, Physical Review A 87, 063619 (2013).\n\t\t\t\t [9] H. Michinel, J. Campo-Táboas, R. García-Fernández, J.R. Salgueiro, and M.L. Quiroga-Teixeiro, Physical Review E 65, 066604 (2002); Z. Wu, Y. Zhang, C. Yuan, F. Wen, H. Zheng, Y. Zhang, and M. Xiao, Physical Review A 88, 063828 (2013). \n\t\t\t\t [10] Á. Paredes, D. Feijoo, and H. Michinel, Physical Review Letters 112, 173901 (2014).\n\t\t\t\t [11] D. Feijoo, I. Ordóñez, Á. Paredes, and H. Michinel, Physical Review E 90, 033204 (2014).\n\t\t\t\t [12] D. Feijoo, D.A. Zezyulin, and V.V. Konotop, Physical Review E 92, 062909 (2015).
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 describe operaciones elementales en el control dinamico de gases ultrafrios confinados en guias de ondas angostas. En una primera parte de la tesis se presenta una teoria que describe con exito la dinamica de laseres atomicos guiados, que son los analogos materiales de los laseres convencionales. Para tales sistemas se predice la aparicion de la difraccion en el tiempo que gozando de un gran interes desde un punto de vista fundamental, resulta un inconveniente para las aplicaciones en litografia. La resolucion de esta confrontacion es solventada describiendo como el encendido suave de un laser atomico permite estabilizar su perfil de densidad durante un intervalo de tiempo controlable. Una segunda parte de la tesis ataca problemas abiertos en la dinamica de muchos cuerpos cuya resolucion por el autor ha sido reconocida ya por la comunidad cientifica internacional. Explotando la dualidad de Bose-Fermi exclusiva de los gases ultrafrios en una dimension, se han presentado resultados de gran relevancia para los experimentos en el campo, caracterizando distintos procesos dinamicos como son la expansion libre, el decaimiento por tuneleo. Ademas se ha presentado una tecnica para crear estados cuanticos con un numero bien definido de particulas, indicando como mejorar los resultados experimentales realizados en la university of Tesas en Austin, cuyo exito se limito a la preparacion de gases con estadistica sub-Poissoniana. Este resultado es clave para la creacion de interferometros de mayor precision. La tesis incluye precisamente combinando los resultados anteriores y generalizando l teoria de un sistema de muchos cuerpos con estructura interna e interacciones fuertes, en el campo de la metrologia. De esta forma se describe como en un interferometro Ramsey, elemento clave de un reloj atomico, se pueden utilizar las propiedades ventajosas de los gases ultrafrios en el regimen de Tonks, en contrasto con los condensados de Bese-Einstein en los cuales la interaccion de campo medio empeora el patron de interferencia y la precision del correspondiente reloj.
En esta tesis doctoral se analizaron dos sistemas coherentes de gran relevancia en la Física moderna y que se encuentran íntimamente conectados por la denominada ecuaci ón no lineal de Schrödinger [1] : el condensado de Bose-Einstein [2] y la propagación de la luz en medios ópticos no lineales [3]. Esta tesis se encuadra, por tanto, en el estudio de una ecuación de gran importancia en el ámbito de la Física, llegando incluso a trascender dicha disciplina gracias a su carácter científico universal [4]. Para concretar, esta tesis doctoral se enmarca en el estudio te órico de diferente fenomenología y propiedades de los dos campos previamente mencionados y de las ondas no lineales (particularmente de los llamados solitones [5]) que se manifiestan en ellos: En el contexto del condensado de Bose-Einstein abordamos principalmente diversos protocolos de emisión controlada de solitones de materia. Este control se lleva a cabo mediante la manipulación en el tiempo y en el espacio de la denominada longitud de scattering del condensado (parámetro que controla las interacciones entre las partículas que lo integran), el cual, desde el punto de vista experimental, implica el uso de campos magnéticos y ópticos conocidos como resonancias de Feshbach [6]. Diversas posibilidades como el diseño de un divisor de haz para un interferómetro atómico [7], o la capacidad de extracción de materia con materia y producción de supersolitones [8] son también reportadas. En el contexto de la Óptica no lineal analizamos algunas propiedades de la denominada "luz líquida" [9], fenómeno que se produce cuando haces de luz de alta intensidad (normalmente láser) se propagan a través de medios ópticos con una no linealidad cúbico-quíntica. En concreto, discutimos las características de la cavitación coherente [10] y los efectos de la fuerza de arrastre [11] en este sistema. Para concluir, estudiamos las soluciones solitónicas de una guía de ondas de triple núcleo con simetría paridad-tiempo [12]. Referencias: [1] C. Sulem, and P.L. Sulem, "The Nonlinear Schr ödinger Equation: Self-Focusing and Wave Collapse", Ed. Springer, vol. 139 (1999). [2] A.J. Leggett, Reviews of modern physics 73, 307 (2001). [3] G.P. Agrawal, "Nonlinear Fiber Optics", Ed. Elsevier/Academic Press, New York (2013); M.L. Calvo and V. Lakshminarayanan, "Optical Waveguides: From Theory to Applied Technologies", Ed. CRC Press (2007). [4] E. Infeld, and G. Rowlands, "Nonlinear Waves, Solitons and Chaos", Ed. Cambridge University Press (2000). [5] L. Lam, "Introduction to Nonlinear Physics", Ed. Springer Science & Business Media (2003). [6] C. Chin, R. Grimm, P. Julienne, and E. Tiesinga, Reviews of Modern Physics 82, 1225 (2010). [7] H. Michinel, Á. Paredes, M.M. Valado and D. Feijoo, Physical Review A 86, 013620 (2012). [8] D. Feijoo, Á. Paredes, and H. Michinel, Physical Review A 87, 063619 (2013). [9] H. Michinel, J. Campo-Táboas, R. García-Fernández, J.R. Salgueiro, and M.L. Quiroga-Teixeiro, Physical Review E 65, 066604 (2002); Z. Wu, Y. Zhang, C. Yuan, F. Wen, H. Zheng, Y. Zhang, and M. Xiao, Physical Review A 88, 063828 (2013). [10] Á. Paredes, D. Feijoo, and H. Michinel, Physical Review Letters 112, 173901 (2014). [11] D. Feijoo, I. Ordóñez, Á. Paredes, and H. Michinel, Physical Review E 90, 033204 (2014). [12] D. Feijoo, D.A. Zezyulin, and V.V. Konotop, Physical Review E 92, 062909 (2015).
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.