Nesta tese, propomos, construímos e caracterizamos um experimento de física atômica capaz de produzir nuvens atômicas densas e detectar a transmissão de luz até o nível de intensidade de pW. A versatilidade do sistema permite a produção de nuvens atômicas com densidade espacial variável, chegando a até 20 ρλ³ átomos. O sistema também possui um tempo de execução de repetição de aproximadamente 2-3 segundos, o que significa que uma nova medição pode ser realizada nesse intervalo. No regime denso, medimos a transmissão de luz e observamos uma transição dos efeitos de átomos individuais para efeitos coletivos e espalhamento múltiplo. As medições de transmissão resolvidas em polarização mostram desvios da lei de Beer-Lambert em profundidades ópticas mais altas, indicando a presença de efeitos de densidade e fenômenos de espalhamento múltiplo. Além disso, exploramos a transmissão para diferentes parâmetros de saturação. Nosso estudo fornece insights valiosos sobre as complexas interações entre luz e nuvens atômicas densas, destacando a importância de considerar tanto os comportamentos atômicos individuais quanto os coletivos. Esses achados têm implicações significativas para futuros experimentos e aplicações envolvendo conjuntos atômicos densos, como óptica quântica e medições de alta precisão.
Nesta tese, propomos, construímos e caracterizamos um experimento de física atômica capaz de produzir nuvens atômicas densas e detectar a transmissão de luz até o nível de intensidade de pW. A versatilidade do sistema permite a produção de nuvens atômicas com densidade espacial variável, chegando a até 20 ρλ³ átomos. O sistema também possui um tempo de execução de repetição de aproximadamente 2-3 segundos, o que significa que uma nova medição pode ser realizada nesse intervalo. No regime denso, medimos a transmissão de luz e observamos uma transição dos efeitos de átomos individuais para efeitos coletivos e espalhamento múltiplo. As medições de transmissão resolvidas em polarização mostram desvios da lei de Beer-Lambert em profundidades ópticas mais altas, indicando a presença de efeitos de densidade e fenômenos de espalhamento múltiplo. Além disso, exploramos a transmissão para diferentes parâmetros de saturação. Nosso estudo fornece insights valiosos sobre as complexas interações entre luz e nuvens atômicas densas, destacando a importância de considerar tanto os comportamentos atômicos individuais quanto os coletivos. Esses achados têm implicações significativas para futuros experimentos e aplicações envolvendo conjuntos atômicos densos, como óptica quântica e medições de alta precisão.
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
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.
A perspectiva de simular fenomenos quânticos de sistemas de muitos corpos em cavidades
opticas acopladas tem atraido bastante interesse nos ultimos anos. O alto
grau de controle experimental e a natureza hibrida das particulas envolvidas, denominada
polaritons, fornecem uma nova direcao no estudo de sistemas fortemente
correlacionados envolvendo interacao entre luz e materia. Alem disso, redes de cavidades
sao plataformas promissoras para processamento de informacao quântica
em redes quânticas. Esta tese e constituida por dois estudos em redes de cavidades
acopladas descritas pelo modelo Jaynes-Cummings-Hubbard. Em particular,
desenvolvemos protocolos de transferencia e controle de estados quânticos em duas
estruturas distintas. No primeiro estudo, consideramos uma cadeia unidimensional
de cavidades com um padrao alternado de acoplamento entre as cavidades, cada
uma interagindo com um atomo. Neste cenario, um par de modos normais do campo
eletromagnetico torna-se fortemente localizado nas extremidades da cadeia. Dessa
forma, uma vasta estrutura de regimes dinâmicos pode ser manipulada dependendo
da ressonância entre os modos normais atomicos e do campo. Mostramos como
isso pode ser utilizado para realizar protocolos de transferencia de estado quântico
envolvendo estados fotonicos, atomicos ou hibridos, com alta fidelidade. Tambem
discutimos como reduzir o tempo de transmissao de estados, sem comprometer sua
eficiencia, particionando a cadeia em modulos. Em seguida, exploramos a dinâmica
de excitacoes atomicas e fotonicas em uma rede complexa de Apolonio considerando
diversos regimes de interacao. Mostramos que o espectro de modos normais induzido
por este tipo de rede tambem oferece diversas alternativas no controle da dinâmica
do sistema. Alem disso, a natureza complexa da rede de Apolonio induz uma dinâmica
de propagacao nao-trivial que depende do grau de conexao entre os sitios,
podendo ser assim aplicada para conectar diferentes usuarios de uma rede quântica.
Nossos resultados contribuem para o desenvolvimento de protocolos de comunicacao
em redes quânticas utilizando dispositivos de interface luz-materia, abrindo assim
caminho para o processamento de informacao quântica em larga escala.
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.
Interacoes dos atomos com superficies modificam os graus de liberdade
internos e externos desses atomos quando proximos a elas. A interacao dominante
de longo alcance (ate a ordem do comprimento de onda das transicoes atomicas) e a
interacao de van derWaals, geralmente atrativa. Nesta tese e abordado o coeficiente
C3, caracteristico dessa interacao e dependente da superficie e temperatura, determinado
atraves do uso de uma tecnica espectroscopica (Reflexao Seletiva). Trata-se
tambem da transferencia de excitacao de longo alcance (efeito Forster) do atomo
para a superficie. A curtas distâncias (dimensoes atomicas), a interacao torna-se
repulsiva, devido a sobreposicao dos orbitais eletronicos do atomo incidente e dos
constituintes da superficie. A soma das contribuicoes de curto e de longo alcance
resulta em um poco de potencial com niveis discretos de energia que sao simulados
em uma transferencia otica para esses estados ligados.
As fontes de radiacao utilizadas nas experiencias da primeira parte desta
tese sao lasers de diodo ressonantes, cujas caracteristicas espectrais precisam ser
modificadas no laboratorio para eles se tornarem ferramentas adequadas para a realizacao
de tais experiencias de espectroscopia de alta resolucao. A Parte II da
tese trata de diodos lasers, iniciando com a descricao de tecnicas de estabilizacao
e chegando a uma nova tecnica desenvolvida no laboratorio durante este trabalho
de doutorado, onde a frequencia do laser e controlada atraves de um retorno otico
com polarizacao ortogonal no diodo acoplado a transicao atomica. Outros efeitos
relacionados a essa tecnica de estabilizacao, como o fenomeno de bi-estabilidade,
sao descritos e interpretados no ultimo capitulo desta tese.
Nesta tese estudamos o controle da biestabilidade óptica absortiva em uma cavidade linear contendo uma coleção de átomos de dois e três níveis não interagentes fracamente acoplados a um único modo do campo. Mostramos que o controle para a configuração atômica de três níveis ocorre apenas nas condições de aprisionamento coerente de população e que o mesmo é sensível à coerência atômica induzida no sistema podendo ser manipulado através de diferentes parâmetros. Propomos algumas aplicações apresentando um efeito novo, o qual denominamos de biestabilidade óptica complementar, muito interessante para explorar dispositivos ópticos biestáveis com funções de cascatabilidade, como um transistor óptico. Estudamos também o controle óptico das flutuações do campo de prova pela combinação do fenômeno de transparência eletromagneticamente induzida para um único átomo no regime de acoplamento forte em eletrodinâmica quântica de cavidades. Especificamente, o campo de controle é utilizado para ajustar as frequências de transição dos estados vestidos ressonantemente ou quase ressonantemente com o campo de prova do sistema. Desta forma, efeitos de bloqueio de um e dois fótons e anti-bloqueio são observados produzindo campos sub- e super-Poissonianos, respectivamente. O controle quântico obtido pode ser promissor para a realização de um protótipo de um transistor quântico que amplifica e atenua flutuações quânticas do campo transmitido pelo sistema. A viabilidade desse dispositivo é demonstrada através de cálculos utilizando parâmetros de experimentos recentes.