Nessa tese tratamos de dois trabalhos distintos, ambos relacionados a fenômenos de interação entre luz e átomos. O primeiro trabalho tem como objetivo avaliar a troca de momentum e energia entre um pulso de onda plana e um átomo imerso em um meio material através de um modelo microscópico clássico. Comparamos nosso resultado com as formulações de Abraham e Minkowski para o momentum de uma onda eletromagnética se propagando em um meio material. A formulação de Abraham prevê que o momentum da onda deve ser (1/n)E/c, em que E é a sua energia, c a velocidade da luz no vácuo e n o índice de refração do meio. Já a formulação de Minkowski prevê um momentum igual a nE/c. Aqui avaliamos o momentum recebido por um átomo por uma onda eletromagnética em um meio dielétrico linear não-magnético, não-dispersivo e com índice de refração próximo de 1. Tratamos o átomo classicamente como um oscilador harmônico. Tratamos o meio microscopicamente como uma coleção de dipolos elétricos que geram uma segunda onda eletromagnética que se superpõe com a onda incidente. Mostramos que a superposição dessas ondas transfere para o átomo um momentum proporcional ao índice de refração, mas menor que o momento de Minkowski. No segundo trabalho exploramos a interação entre luz e átomos frios, e como ela pode ser usada para armazenar informação quântica e manipular estados quânticos. Estados quânticos codificados em luz são amplamente utilizados em aplicações de computação e telecomunicação quântica por sua velocidade rápida de transmissão em meios transparentes, apresentar pouco ruído e alta coerência. Um grau de liberdade útil para essa tarefa é o modo espacial. Luz, por outro lado, é difícil de se armazenar por grandes períodos de tempo, o que levou ao desenvolvimento de protocolos de transferência de informação da luz para átomos frios para possibilitar o armazenamento. Entre esses protocolos, destacamos o esquema DLCZ para memórias quânticas. Utilizando os recursos tratados, propomos um protocolo original que permite criar qudits codificados em modos Hermite-Gaussianos ou Laguerre-Gaussianos de fótons únicos a partir de feixes clássicos interagindo com memórias quânticas. Mostramos como a informação clássica codificada em modos espaciais de um campo eletromagnético clássico pode ser transformada em informação quântica. Fazemos o tratamento teórico quântico que demonstra quantitativamente a validade do nosso protocolo. Mostramos as condições necessárias e o regime em que um fóton pode ser produzido com o mesmo modo espacial de um feixe clássico com certa Ądelidade. Também propomos uma maneira de simular o emaranhamento produzido pelo decaimento espontâneo e a emissão e detecção de um fóton por um de dois átomos inicialmente excitados com esse esquema.
Nessa tese tratamos de dois trabalhos distintos, ambos relacionados a fenômenos de interação entre luz e átomos. O primeiro trabalho tem como objetivo avaliar a troca de momentum e energia entre um pulso de onda plana e um átomo imerso em um meio material através de um modelo microscópico clássico. Comparamos nosso resultado com as formulações de Abraham e Minkowski para o momentum de uma onda eletromagnética se propagando em um meio material. A formulação de Abraham prevê que o momentum da onda deve ser (1/n)E/c, em que E é a sua energia, c a velocidade da luz no vácuo e n o índice de refração do meio. Já a formulação de Minkowski prevê um momentum igual a nE/c. Aqui avaliamos o momentum recebido por um átomo por uma onda eletromagnética em um meio dielétrico linear não-magnético, não-dispersivo e com índice de refração próximo de 1. Tratamos o átomo classicamente como um oscilador harmônico. Tratamos o meio microscopicamente como uma coleção de dipolos elétricos que geram uma segunda onda eletromagnética que se superpõe com a onda incidente. Mostramos que a superposição dessas ondas transfere para o átomo um momentum proporcional ao índice de refração, mas menor que o momento de Minkowski. No segundo trabalho exploramos a interação entre luz e átomos frios, e como ela pode ser usada para armazenar informação quântica e manipular estados quânticos. Estados quânticos codificados em luz são amplamente utilizados em aplicações de computação e telecomunicação quântica por sua velocidade rápida de transmissão em meios transparentes, apresentar pouco ruído e alta coerência. Um grau de liberdade útil para essa tarefa é o modo espacial. Luz, por outro lado, é difícil de se armazenar por grandes períodos de tempo, o que levou ao desenvolvimento de protocolos de transferência de informação da luz para átomos frios para possibilitar o armazenamento. Entre esses protocolos, destacamos o esquema DLCZ para memórias quânticas. Utilizando os recursos tratados, propomos um protocolo original que permite criar qudits codificados em modos Hermite-Gaussianos ou Laguerre-Gaussianos de fótons únicos a partir de feixes clássicos interagindo com memórias quânticas. Mostramos como a informação clássica codificada em modos espaciais de um campo eletromagnético clássico pode ser transformada em informação quântica. Fazemos o tratamento teórico quântico que demonstra quantitativamente a validade do nosso protocolo. Mostramos as condições necessárias e o regime em que um fóton pode ser produzido com o mesmo modo espacial de um feixe clássico com certa Ądelidade. Também propomos uma maneira de simular o emaranhamento produzido pelo decaimento espontâneo e a emissão e detecção de um fóton por um de dois átomos inicialmente excitados com esse esquema.
Neste trabalho, utilizamos uma memoria quântica formada por uma nuvem de atomos de 3 niveis para estudar a dinâmica de emissao de luz em estado de Fock contendo uma ou duas excitacoes, explicitando o carater superradiante nestes processos. Um feixe laser de escrita pode induzir transicoes nesses atomos deixando uma ou duas excitacoes coerentemente distribuidas na nuvem, armazenando informacao. Posteriormente, um feixe laser de leitura retira essas excitacoes na forma de fotons que sao emitidos de forma superradiante e num modo que depende da informacao armazenada. Com este tipo de arranjo, e possivel atestar o carater quântico da luz e garantir que uma formulacao semi-classica e inadequada para descrever o fenomeno. Como elemento principal, desenvolvemos uma teoria analitica para a interacao dos atomos com a luz, obtendo o perfil espaco-temporal da emissao e demonstrando que os fotons gerados na leitura se acoplam a um modo do campo conjugado ao utilizado durante a escrita para preparar o estado da nuvem. De acordo com a teoria, o pacote de onda de dois fotons e consistente com o perfil temporal obtido na emissao de fotons independentes e identicos ao obtido na emissao superradiante de um unico foton. Estas conclusoes sao comparadas com experimentos de armazenamento de informacao quântica por nuvens de atomos frios realizados pelo grupo de otica quântica da UFPE, em que podemos constatar uma boa concordância entre os resultados experimentais e as previsoes teoricas. Esses estudos permitiram a caracterizacao, pela primeira vez, da emissao superradiante de dois fotons por um conjunto de atomos.
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
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
Nesta tese discutimos alguns aspectos fundamentais da teoria quântica de um ponto de vista mais contemporâneo, onde tambem pudemos desenvolver tres trabalhos. No primeiro analisamos teoricamente um interferometro de fenda dupla para atomos. Mostramos que se os autoestados de energia do atomo estao correlacionados com os comportamentos de particula e de onda do mesmo, fenomenos complementares podem ser medidos simultaneamente, indicando uma reinterpretacao do principio da complementaridade. O mesmo aparato tambem apresentou propriedades de apagador quântico. No segundo apresentamos um interferometro de duas particulas e a maneira como a decoerencia afeta o grau de interferencia. Mostramos como os constituintes do ambiente, aqui considerados como fotons, podem destruir a oscilacao na taxa de coincidencia de deteccao das particulas. Devido a sua caracteristica temporal, chamamos este processo de decoerencia temporal quântica. No ultimo trabalho estudamos a existencia de uma nova familia de solucoes ortogonais da equacao paraxial da luz. A amplitude complexa desses feixes sao proporcionais as funcoes hipergeometricas confluentes, que denominamos modos hipergeometricos do segundo tipo (HyG-II). Demonstramos formalmente que um meio com um perfil hiperbolico de indice de refracao pode gerar e suportar essa classe de feixes. Uma vez que esses modos sao autofuncoes do momento angular orbital do foton, concluimos que uma fibra otica com este perfil de indice, em certas situacoes, poderia levar vantagem em relacao a outras fibras com indice variavel na capacidade de transmissao de dados.
Neste trabalho apresentamos um protocolo para simular, no contexto da eletrodinâmica quântica de cavidades, a equação de Dirac 2+1 D e 1+1 D para uma partícula relativística livre, de spin ½. Especificamente, tratamos dois sistemas distintos: no primeiro consideramos um átomo de quatro níveis interagindo com dois modos da cavidade e quatro campos clássicos; no segundo, consideramos um átomo de três níveis interagindo com um modo da cavidade e dois campos clássicos. O primeiro sistema foi utilizado para simular a equação de Dirac 2+1 D. Através do segundo sistema mostramos como simular a equação de Dirac 1+1 D. Com esse sistema mostramos como manipular e controlar por meio das forças de acoplamentos dos campos, os valores da velocidade da luz e a energia de repouso da partícula relativística livre de Dirac simulada. Verificamos que a dinâmica de um elétron no formalismo da mecânica quântica relativística pode ser simulada usando experimentos em Eletrodinâmica Quântica de Cavidades. Neste contexto, analisamos o movimento oscilatório inesperado de uma partícula quântica relativística livre conhecido como Zitterbewegung.
Nesta tese, realizamos experiências relacionadas com o armazenamento de informação óptica em um ensemble de átomos frios de césio. A configuração experimental utilizada foi semelhante à de mistura de quatro ondas degenerada resolvida no tempo, usando a geometria conhecida como conjugação de fase óptica. Investigamos, tanto teórica quanto experimentalmente, diversos efeitos coerentes e mostramos explicitamente o armazenamento de uma grade de coerência entre os subníveis Zeeman pertencentes a um nível hiperfino do estado fundamental do césio. Analisamos o comportamento da energia dos pulsos gerados em função das intensidades dos campos envolvidos e observamos diferentes comportamentos de saturação. Em outro experimento, estudamos as correlações de energia entre diferentes modos temporais e espaciais gerados coerentemente pelo meio, o qual permitiu observar que os efeitos de emissão espontânea são predominantes quando cada transição do sistema é acessada com mesma intensidade de leitura. As larguras temporais dos modos envolvidos no processo mostraram ser invariantes quando a intensidade total de leitura se mantém constante. Realizamos também, usando um campo magnético externo, uma investigação sobre a evolução coerente do estado armazenado. Medimos a evolução temporal do sinal difratado em duas condições experimentais distintas: com o campo magnético externo aplicado paralelo e perpendicularmente à direção de propagação dos campos ópticos. Em ambos os casos, observamos uma série de collapses and revivals que estão intimamente relacionados com a precessão de Larmor da grade Zeeman armazenada em torno do campo magnético aplicado externamente. Finalmente, realizamos experiências envolvendo modos do campo eletromagnético que possuem momentum angular orbital (MAO). Demonstramos o armazenamento de estados de MAO e de suas superposições coerentes, bem como sua manipulação com campos magnéticos externos. Mostraremos que o MAO óptico pode ser armazenado, manipulado e recuperado coerentemente a partir do sistema atômico.