O desenvolvimento de técnicas para resfriar e aprisionar moléculas diatômicas polares é motivado pelo amplo campo de suas potenciais aplicações, que estão associadas as interações dipolares de longo alcance e a complexa estrutura interna das moléculas. Embora tais aplicações sejam muito empolgantes, a produção de amostra densa de moléculas frias ainda é muito desafiadora. A principal dificuldade é que o resfriamento a laser não pode ser aplicado diretamente à qualquer molécula porque moléculas não possuem transições ópticas perfeitamente fechadas, como em sistemas atômicos. Neste trabalho, desenvolvemos uma técnica para carregar continuamente moléculas de 85Rb2 ultrafrias no estado vibracional fundamental (vx = 0) em uma armadilha óptica de dipolo cruzada a partir de átomos em uma armadilha magneto-óptica usando um feixe de luz de alta potência. Este feixe é composto por uma fonte de luz coerente, responsável pela fotoassociação de curto-alcance dos átomos de rubídio, e uma fonte de luz banda larga incoerente que transfere as moléculas em diferentes níveis vibracionais (vx > 0) do estado eletrônico fundamental X1Σg+ ao nível fundamental vx = 0, através de bombeamento óptico. As moléculas puderam ser observadas através da técnica de REMPI. O tempo de vida de aprisionamento das moléculas foi medido e está limitado pelo espalhamento de fótons não ressonantes do feixe de luz da armadilha óptica de dipolo. A técnica desenvolvida pode ser aplicada para formar e aprisionar moléculas heteronucleares no estado vibracional fundamental absoluto a partir de duas armadilhas magneto-ópticas atômicas sobrepostas.
O desenvolvimento de técnicas para resfriar e aprisionar moléculas diatômicas polares é motivado pelo amplo campo de suas potenciais aplicações, que estão associadas as interações dipolares de longo alcance e a complexa estrutura interna das moléculas. Embora tais aplicações sejam muito empolgantes, a produção de amostra densa de moléculas frias ainda é muito desafiadora. A principal dificuldade é que o resfriamento a laser não pode ser aplicado diretamente à qualquer molécula porque moléculas não possuem transições ópticas perfeitamente fechadas, como em sistemas atômicos. Neste trabalho, desenvolvemos uma técnica para carregar continuamente moléculas de 85Rb2 ultrafrias no estado vibracional fundamental (vx = 0) em uma armadilha óptica de dipolo cruzada a partir de átomos em uma armadilha magneto-óptica usando um feixe de luz de alta potência. Este feixe é composto por uma fonte de luz coerente, responsável pela fotoassociação de curto-alcance dos átomos de rubídio, e uma fonte de luz banda larga incoerente que transfere as moléculas em diferentes níveis vibracionais (vx > 0) do estado eletrônico fundamental X1Σg+ ao nível fundamental vx = 0, através de bombeamento óptico. As moléculas puderam ser observadas através da técnica de REMPI. O tempo de vida de aprisionamento das moléculas foi medido e está limitado pelo espalhamento de fótons não ressonantes do feixe de luz da armadilha óptica de dipolo. A técnica desenvolvida pode ser aplicada para formar e aprisionar moléculas heteronucleares no estado vibracional fundamental absoluto a partir de duas armadilhas magneto-ópticas atômicas sobrepostas.
Moléculas diatômicas polares apresentam um amplo campo de possíveis aplicações em pesquisa básica assim como em tecnológicas, as quais estão associadas as interações dipolares de longo alcance e sua estrutura interna. Contudo, a produção de amostras moleculares densas e frias é ainda muito complexa devido à essa mesma estrutura interna, requerendo várias fontes de laser. O desenvolvimento de técnicas de resfriamento, aplicáveis para qualquer molécula é fundamental para o sucesso dessa área. Neste trabalho, estudamos teoricamente e experimentalmente o resfriamento de moléculas térmicas de 85Rb2 utilizando fontes laser banda largas. Em particular, estudamos as transições entre os potenciais fundamental X 1Σg+ e o excitado B 1 Πu, utilizando lasers de diodo multimodos banda larga, cujos espectros podiam ser manipulados utilizando micro-espelhos. O espectro molecular foi obtido através da fotoionização ressonante das moléculas usando lasers pulsados. Os resultados obtidos sugerem que a manipulação de estados moleculares é viável através de bombeamento ótico.
Neste trabalho apresentamos a construção de um novo sistema experimental para aprisionamento de átomos e moléculas. Trata-se de uma armadilha de dipolo cruzada totalmente óptica, formada por um laser de fibra com 40 W de potência com comprimento de onda em 1064 nm. Nesse sistema foi demonstrado o aprisionamento de átomos Rb e K e moléculas Rb2. Realizamos dois experimentos distintos neste se novo sistema: No primeiro, estudamos a evolução temporal de amostras dos isótopos 85Rb e 87Rb na armadilha de dipolo cruzada. Pudemos medir pela primeira vez o processo de mudança de estrutura hiperfina em átomos sem a presença de luz ressonante, e observamos a fotoassociação dos átomos pelo laser da armadilha de dipolo. E no segundo, desenvolvemos uma técnica que permite o estudo rápido e direto do decaimento no número de moléculas de Rb2 na armadilha. Com essa técnica, observamos também o comportamento dessas moléculas na presença de átomos preparados em um determinado estado hiperfino do estado fundamental. Estes resultados juntamente com um desenvolvimento teórico, nos sugerem novas perspectivas rumo a produção de um sistema que possa produzir e aprisionar moléculas KRb no estado fundamental 1Σ+ (v = 0).
Resfriamento a laser não pode ser facilmente aplicado em moléculas porque elas geralmente não possuem transições ópticas fechadas, como em sistemas atômicos. Sua estrutura interna complexa, que inclui vibração e rotação, impede que técnicas de resfriamento e desaceleração bem estabelecidas em física atômica, sejam aplicadas em sistemas moleculares, exceto por uma classe muito restrita de moléculas. Nesta dissertação, exploram-se técnicas de bombeamento rovibracional aplicadas ao resfriamento de moléculas, utilizando a molécula de rubídio (Rb2) como exemplo. Para isso, são propostos e caracterizados dois sistemas laser de banda larga com alto controle espectral, para a excitação seletiva de transições vibracionais e rotacionais permitidas. Ambos os sistemas se baseiam em sistemas ópticos que empregam pelo menos um elemento dispersivo para separar espacialmente os componentes espectrais da luz no plano de Fourier, onde um dispositivo de microespelhos digitais (DMD) atua como filtro espectral ativo, permitindo a modelagem precisa do espectro de bombeamento. Os resultados obtidos demonstram a viabilidade dos sistemas propostos para a manipulação seletiva de estados rovibracionais, evidenciando sua aplicabilidade em esquemas de bombeamento óptico voltados ao resfriamento de moléculas.
A~AONos ultimos anos tem side grande 0 interesse no estudo da obtenQao de amostras de atomos frios e de altas densidades.(1) Tais amostras podem ser uteis em experiencias de espectroscopia de alta resoluQao, produQao de padroes de frequencias e re16gios atomicos, e estudos de processos de colisao.Alem disto, se obtivermos amostras com velocidades tais que 0 comprimento de onda de de Broglie associado ao atomo (lD) seja da ordem da distancia interatomica, efeitos quanticos coletivos tal como condensaeao de observados.Uma Bose-Einstein, poderiam em das formas de obter-se estas principio serem amostras e atraves da tecnicas de desaceleraeao de feixes at6micos.(2) Uma outra, e mais investigada atualmente, e a tecnica de aprisionamento de atomos neutros usando armadilhas magneto-opticas.Ate 1987, existiam duas formas de construir-se armadilhas para atomos neutros.Uma delas emprega a forea magnetica atuante no atomo quando ele esta em uma regiao de campo magnetico nao homogeneo (3) e a outra refere-se ao uso da forea de presao de radiaQao para confina-lo.(4)Basicamente, a ideia que suporta a armadilha magnetica e 0 fato que estados fundamentais eletr6nicos de certos atomos com spins eletr6nicos desemparelhados tem energia que aumenta com 0 campo magnetico, produzindo assim uma forQa restauradora sobre eles, na direQao do minima de campo.A primeira armadilha optica foi proposta por Ashkin (4) em 1978 e consiste de dois lasers contrapropagantes focalizados.Nesta configuracao existe uma forca restauradora axial devido a forca espontanea e uma forca restauradora transversal devido ao gradiente do campo induzida).Entretanto, a primeira observaCao de atomos aprisionados opticamente devido a forca espontanea, foi realizada em 1985 por S. Chu et.al,(5) em atomos de sodio (Na).A configuraCao experimental utilizada constitui-se de um arranjo tridimensional de feixes contrapropagantes sintonizados abaixo da frequenci~de ressonancia.De acordo com a assertiva de H~sch e Schawlow (6) isto causa uma forca oposta a velocidade do atomo, ou seja uma forca viscosa.Por isto esta tecnica e denominada de melado optico.A densidade de atomos confinados por esta tecnica foi da ordem de 10~m-3, com temperatura da ordem de 240uK, que corresponde ao limite de temperatura minima fornecido pela teoria aprisionados neste limite e de aproximadamente 60cm/s.Na verdade o melado optico nao e uma verdadeira armadilha pois nao existe forca restauradora presente e 0 tempo de confinamento dos atomos e de apenas 100 ms, que e muito menos que 0 obtido pela tecnica discutiremos a seguir.
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
Sistemas atômicos coerentemente preparados podem dar origem a fenômenos interessantes e inesperados como, por exemplo, a transparência eletromagneticamente induzida (EIT). Em tal fenômeno, um meio absorvente pode se tornar transparente mediante uma interação coerente com campos de radiação laser. Este efeito pode ser interpretado como a criação de uma superposição coerente dos níveis atômicos fundamentais que não é acoplada ao estado excitado pelos campos incidentes. Em publicação recente, foi investigado o fenômeno de EIT na presença de um campo magnético dc externo e foi demonstrado que este sistema além de cancelar a absorção do feixe de prova pode também amplificar o feixe de prova incidente levando a um novo mecanismo de ganho. No presente trabalho estendemos a investigação deste mecanismo de ganho explorando o efeito de uma cavidade óptica no aumento do ganho e finalmente alcançando a oscilação laser em tal sistema. O experimento é realizado com átomos frios de césio obtidos a partir de uma armadilha magneto-óptica (MOT). Usamos os subníveis Zeeman da transição cíclica do césio 6S1/2, F = 3 → 6P3/2 , F ′ = 2, que é excitada por dois feixes coerentes, o feixe de controle e o feixe de prova com polarizações circulares e opostas, na presença de um campo magnético dc externo. Este sistema pode produzir ganho óptico de passagem única da ordem de 80-100% para valores moderados do campo magnético e da potência do feixe de controle. Em um primeiro conjunto de medições, foi investigado o aumento do ganho produzido por uma cavidade óptica em anel com diferentes perdas e finesses. Para uma cavidade de baixa finesse com um espelho de refletividade R = 70% medimos a amplificação do feixe de prova para diferentes parâmetros experimentais, e um aumento da ordem de 14 vezes no ganho óptico foi observado. Além disso, atingimos a oscilação laser quando uma cavidade óptica de alta finesse com espelho de refletividade R = 99,9% foi usada. Neste caso, mesmo quando o feixe de prova incidente é bloqueado, a auto-oscilação do sistema é observada quando a cavidade é varrida para sua frequência de ressonância. Estas observações constituem uma demonstração de um novo sistema de laser operando em átomos frios e na dissertação, iremos discutir suas possíveis aplicações.