Apresentamos os aspectos mais relevantes para se realizar um chafariz a átomos frios de 133Cs, para operá-lo como um padrão primário de tempo e freqüência para realizar a definição do segundo. O objetivo principal desse trabalho foi a otimização do sistema experimental do chafariz de átomos em duas partes críticas: a região de interação e o sistema de detecção. Além disso, otimizamos as diversas fases da manipulação óptica que fazem parte do ciclo de operação de um chafariz com o intuito de aumentar a relação sinal ruído na região de detecção. Quando os átomos são lançados com uma velocidade de 3,39ms-1, atingem o ápice a 60cm acima da região de captura e passam 360ms na região de vôo livre. A temperatura dos átomos na região de detecção não ultrapassa 15,5K e a diferença de população observada através das Franjas de Ramsey, que são a assinatura característica de um padrão de freqüência atômico, tem a largura a meia altura de 1,4Hz. A largura de linha e a relação sinal ruído da franja implicam em uma estabilidade a curto prazo de 5,18×1012. Alguns causadores de deslocamentos de freqüência como a radiação de corpo negro, o efeito Doppler de segunda ordem, o efeito gravitacional e o efeito Zeeman de segunda ordem foram avaliados.
Apresentamos os aspectos mais relevantes para se realizar um chafariz a átomos frios de 133Cs, para operá-lo como um padrão primário de tempo e freqüência para realizar a definição do segundo. O objetivo principal desse trabalho foi a otimização do sistema experimental do chafariz de átomos em duas partes críticas: a região de interação e o sistema de detecção. Além disso, otimizamos as diversas fases da manipulação óptica que fazem parte do ciclo de operação de um chafariz com o intuito de aumentar a relação sinal ruído na região de detecção. Quando os átomos são lançados com uma velocidade de 3,39ms-1, atingem o ápice a 60cm acima da região de captura e passam 360ms na região de vôo livre. A temperatura dos átomos na região de detecção não ultrapassa 15,5K e a diferença de população observada através das Franjas de Ramsey, que são a assinatura característica de um padrão de freqüência atômico, tem a largura a meia altura de 1,4Hz. A largura de linha e a relação sinal ruído da franja implicam em uma estabilidade a curto prazo de 5,18×1012. Alguns causadores de deslocamentos de freqüência como a radiação de corpo negro, o efeito Doppler de segunda ordem, o efeito gravitacional e o efeito Zeeman de segunda ordem foram avaliados.
Desenvolvimentos de referências primárias em tempo e frequência são completamente necessários hoje em dia pelas vantagens de suas aplicações em pesquisas fundamentais, metrologia científica e industrial, telecomunicações, defesa, entre outras. O objetivo deste trabalho é apresentar um chafariz de átomos frios em desenvolvimento nos laboratórios da USP de São Carlos para atuar como referência primária de tempo e frequência, além das diferentes otimizações que fazem dele um sistema de alto desempenho. Primeiramente foi realizada uma mudança da mesa óptica para obter boa estabilidade no sistema óptico, além de uma alteração dos obturadores mecânicos, encarregados de interromper os feixes na sequência da operação do chafariz. O tempo de carga e o número de átomos foram melhorados neste estágio, permitindo reduzir o tempo de ciclo do sistema de tc = 5, 2 s para tc = 2 s. O conjunto de bobinas de compensação de campos espúrios externos junto ao sistema de blindagem magnética foi caracterizado, além do Campo C-Field que foi otimizado para diminuir em mais de sete vezes a variação na região de interrogação. Depois de todas as alterações, foi possível obter sinais de tempo de voo com uma relação Sinal/Ruído = 53 dB. A franja de Ramsey central tem melhor qualidade, relação sinal/ruído ≈ 200 sem médias nas medidas. Franjas laterais (mF = ±1) também foram observadas com contraste pela primeira vez neste experimento. Um cálculo da Probabilidade de Ramsey foi feito, introduzindo a distribuição de velocidades da nuvem atômica para caracterizar a franja de Ramsey e com ele estimar parâmetros como: a Temperatura da nuvem T = 6, 3 μK, a largura do pico central ΔνRamsey = 1, 69 MHz, assim como os tempos de interação τ = 0, 0239 s e o tempo de evolução T = 0, 2958 s. Além disso, a estabilidade fracional do relógio foi estimada para τ = 1 s, a qual teve um valor de σy (1s) = 1, 25 × 1013, o que é um grande ressultado desta tese. Por último, foi feita uma estimativa do deslocamento de frequência devido ao efeito de radiação de corpo negro, resultando em Δν/ν = 26,285 × 1015 com uma incerteza de 5,927 × 1017
Apresentamos os aspectos mais relevantes para a construção e caracterização de um padrão primário de tempo e frequência compacto. Nesse sistema a amostra de átomos de referência é preparada a partir de uma armadilha magneto-óptica. Após a obtenção de uma amostra significativa de átomos os feixes laser são desligados e, durante a expansão livre, a nuvem atômica é submetida a uma sequência de pulsos de micro-ondas que caracterizam o método de Ramsey. Os pulsos de micro-ondas são aplicados em uma cavidade de micro-ondas, esculpida dentro da câmara de vácuo. Todo o ciclo de funcionamento é implementado dentro dessa cavidade e por esse motivo o padrão é considerado compacto. Quando os átomos são interrogados com pulsos de τ = 1 ms separados por Τ = 8 ms obtemos uma largura a meia altura da franja central de 52 Hz e uma estabilidade a curto prazo de 10-13. Alguns causadores de deslocamentos de frequência foram avaliados.
Neste trabalho estudamos, experimental e teoricamente, as flutuações de campos eletromagnéticos após a interação com sistemas atómicos em configuração de dois níveis com degenerescências. Estes sistemas atómicos eram preparados em superposições coerentes de seus estados obtidas através dos fenômenos de Transparência e Absorção Eletromagneticamente Induzidas. O sistema físico foi considerado em dois modelos teóricos semiclássicos distintos: resposta atómica linear e difusão de fase. Estes modelos se baseiam no fato de que lasers de díodo possuem excesso de ruído na fase, que durante o processo de interação coerente com o sistema atómico é transferido ressonantemente para o ruído de intensidade. Em nossa análise, observamos resultados não triviais em relação aos sinais de ruído e correlação entre os campos medidos. Verificamos que, num vapor atómico, a largura Doppler associada à transição tem um papel fundamental na composição elo sinal ele ruído. Observamos que mesmo transições que, a priori, estariam não ressonante podem ter contribuição significativa para o sinal ele ruído. Os modelos teóricos desenvolvidos apresentaram um bom acordo qualitativo com parte dos dados experimentais e se mostraram uma ferramenta útil para a análise da influência dos efeitos coerentes nas flutuações elos campos, quando o laser possui excesso de ruído ele fase.
Quando incide-se uma radiação em um vapor atômico, esta pode sofrer processos de\nabsorção e de emissão várias vezes antes que os fótons saiam do volume da célula que\ncontém o vapor. Em consequência destes diversos espalhamentos, que ocorrem no interior\nda célula, o prol espectral da radiação incidente sofre uma evolução, o qual é regido\npelos mecanismos de redistribuição em frequências. Existem dois tipos de redistribuição\nem frequências, a Redistribuição Parcial em Frequências (PFR) e a Redistribuição Completa\nem Frequências (CFR). Quando existe correlação entre a frequência de emissão e\nda absorção, dizemos que ocorreu uma PFR. Caso contrário, quando não há quaisquer\ncorrelação entre as frequências absorvidas e emitidas, dizemos que ocorreu CFR. Esta\nredistribuição em frequências tem sua origem na inomogeneidade dos perfis espectrais da\nradiação incidente e da resposta do vapor ressonante. Pode-se destacar, também, que\nesta inomogeneidade determina a distribuição dos comprimentos de passos dos fótons no\nvapor atômico. Os fótons que propagam-se neste meio atômico executam um passeio\naleatório entre sucessivos processos de absorção e emissão, cujo comprimentos dos passos\nr é descrito por uma distribuição de probabilidade de dita "cauda longa". Contudo, o\ncomportamento superdifusivo destes fótons é caracterizado por um comprimento de passo\núnico, decaindo assintoticamente como uma lei de potência P(r) r com < 3. Neste\ntrabalho estamos estudando, de uma parte, a redistribuição em frequências em duas etapas,\nsendo a primeira para diversas dessintonizações da radiação em relação ao centro de\nabsorção, mantendo-se fixa a densidade do vapor e, em uma segunda etapa, deixamos fixa a\ndessintonização da radiação, variando-se a densidade atômica. Em nosso modelo numérico estudamos átomos de rubídio, considerando sua estrutura eletrônica oticamente ativa com\napenas dois níveis de energia e excitado na frequência de sua linha D2. Para a segunda\nparte deste trabalho analisamos, de forma numérica, o expoente da lei de potência para\na distribuição de probabilidade dos comprimentos de passos individuais dos fótons em\num vapor atômico para espectros de absorção e emissão modificados. Para a última parte\ndeste trabalho, desenvolveu-se um modelo experimental para analisar a redistribuição em\nfrequências, onde os fótons emitidos que saem do volume da célula são coletados em certo\nvolume sólido por uma lente de alguns centímetros, direcionados através de uma fibra para\nanálise por um Fabry-Pérot. Além disso, foi desenvolvido uma técnica experimental para\ngerar a distribuição de probabilidade de passos dos fótons onde modificamos os espectros\nda radiação incidente ou de absorção. No caso da radiação incidente, esta é guiada por\numa fibra para uma segunda célula, onde uma câmera CCD, de sensibilidade elevada,\npermite medir o comprimento de passos individuais dos fótons.
Neste trabalho estudamos, experimental e teoricamente, as flutuações de campos eletromagnéticos após a interação com sistemas atómicos em configuração de dois níveis com degenerescências. Estes sistemas atómicos eram preparados em superposições coerentes de seus estados obtidas através dos fenômenos de Transparência e Absorção Eletromagneticamente Induzidas. O sistema físico foi considerado em dois modelos teóricos semiclássicos distintos: resposta atómica linear e difusão de fase. Estes modelos se baseiam no fato de que lasers de díodo possuem excesso de ruído na fase, que durante o processo de interação coerente com o sistema atómico é transferido ressonantemente para o ruído de intensidade. Em nossa análise, observamos resultados não triviais em relação aos sinais de ruído e correlação entre os campos medidos. Verificamos que, num vapor atómico, a largura Doppler associada à transição tem um papel fundamental na composição elo sinal ele ruído. Observamos que mesmo transições que, a priori, estariam não ressonante podem ter contribuição significativa para o sinal ele ruído. Os modelos teóricos desenvolvidos apresentaram um bom acordo qualitativo com parte dos dados experimentais e se mostraram uma ferramenta útil para a análise da influência dos efeitos coerentes nas flutuações elos campos, quando o laser possui excesso de ruído ele fase.
Nessa tese discutimos aspectos teóricos e experimentais da estatística de correlação não clássica de dois fótons. Nosso sistema de interesse é um ensemble de átomos frios de rubídio (87Rb). Nesse trabalho nós apresentamos a otimização de correlações não clássicas observadas em pares de fótons gerados por um processo de mistura de quatro ondas em ensembles de átomos de dois níveis puros. Nos zemos isso com o uso de ltros Fabry- Perot com largura de 600 Mhz. Para quanticar as correlações usamos uma quantidade chamada "Inequação de Cauchy-Schwarz", dessa forma foi possível obter Rmax = 4.9 ≰ 1 com o uso dos ltros espectrais. A violação dessa inequação acontece na escala de nanosegundos e ela é sensível à processos que pertubem a fase atômica, porém é robusta ao aumento do número de átomos e ao aumento da intensidade do feixe de excitação. Além disso, é crucial notas nessa tese que as correlações acontecem como consequência da interferência de dois processos: Primeiro, um processo que gera luz com frequência igual à frequência do feixe de excitação e um segundo processo que gera luz nas duas bandas laterais. Além disso, apresentamos resultados preliminares que complementam os trabalhos de nosso grupo até este ponto, onde exploramos nosso sistema em regiões de interessa que ainda não tinham sido investigadas.