O espalhamento Raman correlacionado, denominado aqui processo SaS, ocorre com a destruicao, dentro de um material, de dois fotons de um laser de excitacao e a criacao de um par de fotons Stokes (S) e anti-Soktes (aS) correlacionado quanticamente onde o fonon criado no processo S e aniquilado no espalhamento aS. Nos verificamos que, alem do processo SaS real, onde a troca de energia coincide com a energia de um estado vibracional do material, existe tambem o processo SaS virtual, cuja troca de energia e momento entre os fotons do laser, gerando o par S-aS, e mediada por uma excitacao vibracional virtual configurando uma interacao foton-foton similar a atracao eletron-eletron responsavel pela criacao dos pares de Cooper na teria BCS da supercondutividade. Observamos o processo SaS em meios transparentes em geral, via medicao de valores nao classicos da funcao de correlacao de segunda ordem normalizada dos campos Stokes e anti-Stokes, 𝑔2𝑆𝑎𝑆(0). No diamante, caracterizamos a intensidade do espalhamento SaS (𝐼𝑐𝑜𝑟𝑟𝑆𝑎𝑆 ) em funcao da energia do fonon virtual, verificando que o processo SaS ocorre somente quando a interacao foton-foton e atrativa, como acontece na teoria BCS para os pares de Cooper. Mostramos que os pares de fotons S e aS sao espalhados predominantemente na mesma polarizacao do laser de excitacao da amostra e, com isso, implementamos a tecnica de pump-probe para o estudo do tempo de vida do fonon real (obtido no diamante da ordem de 2,8 ps) e da excitacao virtual, que mostrou ser menor que a resolucao temporal da medida, caracterizando uma das principais diferencas entre os dois processos. Observamos tambem que, devido as relacoes de conservacao de energia e momento, 𝐼𝑐𝑜𝑟𝑟𝑆𝑎𝑆 segue o mesmo perfil espacial de intensidade do laser nao interagente que atravessa a amostra, diferentemente do comportamento observado para o espalhamento Raman nao correlacionado, que espalha fotons em todas as direcoes. Nos observamos que a eficiencia do espalhamento SaS e proporcional a secao de choque do espalhamento Raman quando comparamos o processo em diferentes hidrocarbonetos e generalizamos as observacoes feitas no diamante para a amostra liquida de decano. Na agua, os valores de 𝑔2𝑆𝑎𝑆(0) previstos pela
descricao teorica do processo corroboram os dados experimentais, validando a teoria BCS para espalhamento SaS virtual e colocando os pares de fotons Stokes e anti-Stokes correlacionados como analogos fotonicos aos pares de Cooper.
O espalhamento Raman correlacionado, denominado aqui processo SaS, ocorre com a destruicao, dentro de um material, de dois fotons de um laser de excitacao e a criacao de um par de fotons Stokes (S) e anti-Soktes (aS) correlacionado quanticamente onde o fonon criado no processo S e aniquilado no espalhamento aS. Nos verificamos que, alem do processo SaS real, onde a troca de energia coincide com a energia de um estado vibracional do material, existe tambem o processo SaS virtual, cuja troca de energia e momento entre os fotons do laser, gerando o par S-aS, e mediada por uma excitacao vibracional virtual configurando uma interacao foton-foton similar a atracao eletron-eletron responsavel pela criacao dos pares de Cooper na teria BCS da supercondutividade. Observamos o processo SaS em meios transparentes em geral, via medicao de valores nao classicos da funcao de correlacao de segunda ordem normalizada dos campos Stokes e anti-Stokes, 𝑔2𝑆𝑎𝑆(0). No diamante, caracterizamos a intensidade do espalhamento SaS (𝐼𝑐𝑜𝑟𝑟𝑆𝑎𝑆 ) em funcao da energia do fonon virtual, verificando que o processo SaS ocorre somente quando a interacao foton-foton e atrativa, como acontece na teoria BCS para os pares de Cooper. Mostramos que os pares de fotons S e aS sao espalhados predominantemente na mesma polarizacao do laser de excitacao da amostra e, com isso, implementamos a tecnica de pump-probe para o estudo do tempo de vida do fonon real (obtido no diamante da ordem de 2,8 ps) e da excitacao virtual, que mostrou ser menor que a resolucao temporal da medida, caracterizando uma das principais diferencas entre os dois processos. Observamos tambem que, devido as relacoes de conservacao de energia e momento, 𝐼𝑐𝑜𝑟𝑟𝑆𝑎𝑆 segue o mesmo perfil espacial de intensidade do laser nao interagente que atravessa a amostra, diferentemente do comportamento observado para o espalhamento Raman nao correlacionado, que espalha fotons em todas as direcoes. Nos observamos que a eficiencia do espalhamento SaS e proporcional a secao de choque do espalhamento Raman quando comparamos o processo em diferentes hidrocarbonetos e generalizamos as observacoes feitas no diamante para a amostra liquida de decano. Na agua, os valores de 𝑔2𝑆𝑎𝑆(0) previstos pela
descricao teorica do processo corroboram os dados experimentais, validando a teoria BCS para espalhamento SaS virtual e colocando os pares de fotons Stokes e anti-Stokes correlacionados como analogos fotonicos aos pares de Cooper.
Nesta tese, geramos pares de fótons em um sistema com dois níveis de energia puros, utilizando uma armadilha magneto-óptica com átomos frios de rubídio-87. No processo de mistura de quatro ondas considerado neste experimento, dois feixes contrapropagantes excitam o ensemble atômico, gerando espontaneamente pares de fótons emaranhados, propagando-se em direções opostas e fazendo um ângulo de 3 ∘ com a direção dos feixes de excitação. Correlações quânticas são observadas na escala de tempo de nanosegundos, devido a interferência entre a componente de frequência central da excitação e as bandas laterais, que estão deslocadas da componente central pela dessintonia da ressonância atômica. Ao contrário do que foi reportado por Du et al. em 2007, nós fomos capazes de observar experimentalmente a violação da desigualdade de Cauchy-Schwarz válida para campos clássicos de luz, e obtemos R = (1.98 ± 0.03) ≰ 1. Surpreendentemente, essas correlações quânticas prevalecem mesmo na presença do forte ruído de fundo proveniente do espalhamento Rayleigh dos feixes de excitação. Elas são frágeis com respeito a processos que perturbam a fase da excitação atômica, mas são robustas a variações no número de átomos e a aumentos nas intensidades de excitação. Também realizamos uma caracterização das correlações nas escalas de tempo curta (dezenas de ns) e longa (dezenas de μs) e obtivemos um bom acordo dos dados experimentais com nosso modelo teórico empírico que foi introduzido. Além disso, mostramos que essas correlações não clássicas podem ser consideravelmente amplificadas filtrando espectralmente a componente do espalhamento Rayleigh, e obtivemos R = (5.00 ± 1.30) ≰ 1.
Estudamos efeitos ópticos não-lineares em vapores alcalinos, quando níveis de Rydberg estão envolvidos como estados intermediários, quase ressonantes, em processos como: mistura de quatro ondas (MQO), absorção de dois fótons, geração de soma (SF) e diferença de freqüência (DF). Analisamos um processo de MQO, com transições de dois fótons envolvendo níveis de Rydberg do átomo de rubídio, e observamos franjas de interferência no sinal não linear. Neste estudo, mostramos que é possível ter um controle coerente sobre os múltiplos caminhos quânticos acessíveis ao sistema atômico, explorando a dependência do sinal não linear com a polarização dos feixes incidentes. Medimos a visibilidade das franjas observadas e obtivemos valores de 100% para o contraste da interferência, na ressonância de dois fótons com um nível de Rydberg. Os resultados experimentais apresentam um bom acordo com cálculos teóricos, baseados no formalismo da matriz densidade aplicado a um sistema atômico de quatro níveis. A distribuição de população para um átomo de quatro níveis foi calculada no regime estacionário, resolvendo as equações da matriz densidade em ordens superiores nos campos incidentes. Mostramos que uma interferência entre os caminhos quânticos de excitação de um estado atômico pode levar ao cancelamento ou ao aumento da população desse nível, dependendo das polarizações dos lasers incidentes. Estudamos também efeitos transientes, resolvendo a equação de Schrödinger dependente do tempo para um sistema de três níveis na configuração V, e previmos a ocorrência de oscilações de Rabi de dois fótons, e batimentos quânticos nas populações do sistema atômico. Finalmente, medimos pela primeira vez a geração da DF em uma amostra de rubídio em alta densidade, através de um processo proibido por dipolo elétrico, envolvendo níveis de Rydberg. Utilizando o modelo do campo elétrico estático, induzido por fotoionização, como um mecanismo de quebra de simetria, desenvolvemos cálculos teóricos que permitiram prever a forma espacial do sinal não linear gerado, e comparar com os resultados existentes na literatura para a geração de segundo harmônico em vapores atômicos
Por meio da espectroscopia de ruído, estudamos a correlação entre dois feixes de luz com polarizações circulares opostas, acoplando a transição 5S1/2 F=2 à 5P3/2 F1=2 em configuração de Transparência Eletromagneticamente Induzida (EIT sigla em inglês) com átomos frios de Rubídio 85. Observamos a mudança de correlação para anti-correlação entre os feixes de prova e controle fora da ressonância, conforme aumentamos a sua potência. Esta transição é uma consequência da competição que existe entre a absorção de um fóton no sistema , responsável pelo regime de correlação, e as transições Stokes e Anti-Stokes que produzem a anti-correlação dos feixes. A partir dos espectros do sinal médio da intensidade e da correlação de ruído observamos, nesta última, que o pico de EIT é livre de alargamento por potência, o que possibilita que a medida do tempo de coerência entre os níveis fundamentais na condição de EIT seja mais precisa. Usando o modelo de Difusão de Fase para campos em EIT em configuração, observamos que os espectros teóricos de correlação estão de acordo com os dados experimentais. Isto mostra que esta teoria modela um sistema que envolve níveis hipefinos com degenerescência, através de um sistema simples de 3 níveis. O modelo também prevê o não alargamento do pico de correlação e mostramos ser esta uma medida mais fina de caracterização da largura de linha em comparação ao sinal médio da intensidade.
Este trabalho visa o estudo de colisões atômicas mediadas por fótons. Devido à presença da luz ressonante consideramos em nosso sistema os processos de excitação e decaimento atômicos. Em particular, o decaimento atômico tem sua importância no estudo das armadilhas magneto-ópticas, pois este decaimento poder ser um dos fatores que limita a permanência dos átomos confinados neste tipo de armadilha. Apresentaremos uma formulação inédita para a resolução numérica das equações de populações e coerências que descrevem o processo colisional para um par atômico de átomos de dois níveis. Nesta formulação, não utilizamos aproximação, com isso foi possível também, neste trabalho, checarmos a validade da teoria semi-clássica, uma vez que esta é elaborada por um método aproximativo. Comparando nossa formulação, ao qual batizamos de formalismo quântico, com o formalismo semi-clássico, verificamos que a validade deste último restringe-se quando atribuímos determinados valores para o momentum e largura do pacote de ondas, associado à partícula reduzida. Baseado nas redes-ópticas, apresentaremos também um modelo de experimento que possibilite a preparação de um estado inicial para dois átomos colidentes na presença de um feixe laser de prova. Um outro estudo consiste em verificarmos a existência de um potencial efetivo que possibilite descrever o mesmo resultado, assintoticamente, utilizando os formalismos quântico e o Liouvilliano clássico
Neste trabalho estudamos o efeito de um campo magnético oscilante sobre uma transição de dois fótons em átomos de Rubídio, quando excitados por um laser de Titânio-safira de femtosegundos. Os átomos, na forma de vapor, na proporção isotópica natural, estão contidos em uma célula fechada, a qual é aquecida por pequenas bobinas que são alimentadas por uma corrente variável (ac). Com o comprimento de onda central do laser em 778 nm, os átomos são excitados do estado 5S para o estado 5D e depois podem decair para o estado fundamental via o estado 6P, emitindo um feixe em 420 nm co-propagante ao do bombeio. A oscilação da corrente nas bobinas gera um campo magnético variável no tempo cujo efeito sobre os átomos se manifesta em oscilações no sinal analisado em 420 nm. Como os estados envolvidos no processo de excitação, 5S-5P-5D, têm tempo de vida muito maior que a separação temporal entre os pulsos do laser, podemos considerar que os átomos interagem, não com um único pulso, mas com um pente de frequências. Isto nos permite tratar o processo de excitação como sendo realizado por um grande número de lasers contínuos e considerar o efeito Zeeman devido à presença do campo magnético. No regime estacionário, a absorção de dois fótons pode ocorrer através de um processo direto ou em duas etapas. No processo de absorção direto, com dois fótons simultâneos e um nível virtual, a variação na intensidade do sinal na presença do campo magnético é muito pequena, devido ao alargamento Doppler, e não consegue explicar a variação no sinal observada. Já no processo de absorção em duas etapas, que têm três níveis reais, ressonante com o nível intermediário 5P, temos uma condição de dupla ressonância, a qual deixa de ser satisfeita quando o campo magnético muda a energia dos subníveis Zeeman. Embora os átomos apresentem uma distribuição de velocidades descrita por uma função Gaussiana, os resultados experimentais são bem descritos quando consideramos uma probabilidade de transição, para a dupla ressonância, dada por uma função Lorentziana. Também mostramos que, para campos magnéticos pequenos, da ordem do campo gerado pelas bobinas ao redor da célula, é a largura de linha do nível superior 5D5/2 que governa esta probabilidade de transição.
Foi proposta uma experiência na qual seria possível produzir um emaranhamento quântico de feixes de fótons com diferentes frequências, movendo-se em uma mesma direção, controlado por meio de um campo magnético externo. Nessa experiência, a interação entre o campo magnético e fótons é realizada por intermédio de elétrons, que interagem tanto com os fótons quanto com o campo magnético externo. Foi desenvolvida uma teoria que descreve processos físicos. Derivamos medidas de emaranhamento de informação e de Schmidt para um sistema geral de dois qubits e a medida residual para um sistema geral de três qubits. Usando a informação obtida da análise dos sistemas de dois e de três quase-fótons, calculamos medidas de emaranhamento. Criamos um programa para cálculo numérico, nesses casos, através do qual construímos gráficos de dependência das medidas de emaranhamentos em feixes de dois e de três fótons. Os resultados obtidos nos permitem ver como a medida de emaranhamento depende dos parâmetros, que caracterizam o sistema em questão. Por exemplo, se ambas as polarizações dos fótons coincidem, então, nenhum emaranhamento ocorre. O emaranhamento acontece apenas se as polarizações do fóton forem opostas.