Desde o desenvolvimento de técnicas para controlar o movimento atômico usando a força de pressão de radiação, muitas aplicações tem sido sugeridas e implementadas. Entre estas, o aprisionamento atômico e o desenvolvimento de estruturas espaciais com átomos frios merece atenção especial devido à sua potencial aplicação em depósitos superficiais como litografia. Realizamos, neste trabalho, um estudo sobre feixes atômicos e sua desaceleração e compressão espacial. Realizamos também estudos numéricos sobre a formação de estruturas em anéis em feixes atômicos, verificando ser factível, e estudando também a compressão destas estruturas espaciais, com vistas a possíveis aplicações em nanolitografia atômica.
Desde o desenvolvimento de técnicas para controlar o movimento atômico usando a força de pressão de radiação, muitas aplicações tem sido sugeridas e implementadas. Entre estas, o aprisionamento atômico e o desenvolvimento de estruturas espaciais com átomos frios merece atenção especial devido à sua potencial aplicação em depósitos superficiais como litografia. Realizamos, neste trabalho, um estudo sobre feixes atômicos e sua desaceleração e compressão espacial. Realizamos também estudos numéricos sobre a formação de estruturas em anéis em feixes atômicos, verificando ser factível, e estudando também a compressão destas estruturas espaciais, com vistas a possíveis aplicações em nanolitografia atômica.
Desde o desenvolvimento de técnicas para controlar o movimento atômico usando a força de pressão de radiação, muitas aplicações tem sido sugeridas e implementadas. Entre estas, o aprisionamento atômico e o desenvolvimento de estruturas espaciais com átomos frios merece atenção especial devido à sua potencial aplicação em depósitos superficiais como litografia. Realizamos, neste trabalho, um estudo sobre feixes atômicos e sua desaceleração e compressão espacial. Realizamos também estudos numéricos sobre a formação de estruturas em anéis em feixes atômicos, verificando ser factível, e estudando também a compressão destas estruturas espaciais, com vistas a possíveis aplicações em nanolitografia atômica.
Neste trabalho, abordamos o desenvolvimento de um sistema experimental para resfriamento laser e aprisionamento magneto-optico de atomos de calcio, o desenvolvimento de fontes laser empregadas nesse sistema, bem como estudos espectroscopicos de transicoes desse elemento em descargas eletricas de catodo oco. No caso do calcio, a transicao optica mais eficiente para a manipulacao do movimento dos atomos por pressao de radiacao e a 1 S0-1 P1 em 423 nm. Uma das fontes de radiacao laser que desenvolvemos para esse comprimento de onda consiste de um laser de Ti:Safira estabilizado e duplicado em frequencia. A frequencia desse laser e travada a ressonância de uma cavidade de Fabry-Perot de referencia.
O segundo harmonico do laser e gerado por conversao nao-linear em um cristal de niobato de potassio situado em uma cavidade externa de amplificacao. Investigamos o uso de lâmpadas de catodo oco de calcio como ferramentas espectroscopicas de alta resolucao. A variacao na impedância da descarga eletrica que ocorre com a excitacao laser, o efeito optogalvânico, e uma tecnica de alta sensibilidade que simplifica consideravelmente a deteccao e a sintonia em transicoes atomicas muito fracas como a 1 S0-3 P1 em 657 nm. O sistema de resfriamento e aprisionamento de atomos de calcio e o ultimo topico abordado neste trabalho. Nesse sistema, atomos provenientes de um feixe atomico termico sao resfriados pela tecnica de desaceleracao Zeeman e entao capturados em uma armadilha magneto-optica. Empregamos um esquema alternativo de desaceleracao Zeeman que usa um feixe laser com a mesma frequencia dos feixes da armadilha. Estudamos a variacao do numero estacionario de atomos aprisionados com varios parâmetros, como o gradiente de campo magnetico, a dessintonia e a intensidade dos feixes laser de aprisionamento e desaceleracao. Analisamos tambem a evolucao temporal do numero de atomos aprisionados. Esse estudo mostrou que o tempo de armazenamento na armadilha e limitado por perdas devido ao bombeamento optico de niveis metaestaveis do calcio. Essas perdas por bombeamento optico sao muito maiores do que as perdas decorrentes de colisoes binarias entre os atomos frios. Nesse regime, o comportamento nao-exponencial do numero de atomos torna-se muito dificil de ser observado. Todavia, constatamos que e possivel extrair informacoes relativas a taxa de perdas por colisoes frias comparando as constantes de tempo exponenciais das curvas de carga e descarga
Abstract
O presente trabalho investigou o fenômeno do resfriamento a laser de átomos neutros, com ênfase na compreensão dos mecanismos que permitem atingir temperaturas abaixo do limite Doppler e na análise da força de resfriamento derivada das equações de Bloch ópticas. A justificativa da pesquisa está na importância fundamental que técnicas de resfriamento e aprisionamento atômico desempenham no avanço da óptica quântica, da metrologia de alta precisão e da informação quântica, possibilitando aplicações como relógios atômicos, simulações quânticas, condensados de Bose-Einstein e investigações de moléculas frias e antimatéria. O objetivo central consistiu em deduzir, de forma detalhada, a força média exercida sobre átomos por feixes de laser contrapropagantes em regime de dessintonia negativa, evidenciando a natureza viscosa dessa interação e estabelecendo condições para a redução efetiva da energia cinética do sistema. A metodologia adotada baseou-se em revisão teórica fundamentada nos modelos de dois níveis e nas equações de Bloch ópticas, aplicadas ao contexto de átomos interagindo com campos coerentes. Desenvolveu-se a dedução da força de pressão de radiação e, em seguida, sua expansão no regime de baixas velocidades, resultando na expressão da força de resfriamento proporcional à velocidade atômica, o que caracteriza um efeito de atrito luminoso. Também foi analisado o papel dos deslocamentos de energia (light shifts), a partir da diagonalização do Hamiltoniano no regime de aproximação da onda girante, evidenciando como os estados vestidos explicam as autoenergias deslocadas pela interação com o campo.
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
Apresentamos aqui as ideias basicas a respeito do controle do movimento de atomos neutros por radiacao laser proxima a ressonância. A partir da probabilidade de absorcao da teoria atomica de dois niveis e da conservacao da energia-momentum, tratamos de forma simples os esquemas Zeeman de desaceleracao de feixe atomico, o arranjo de melado optico e a armadilha magneto-optica. Apresentamos tambem algumas simulacoes numericas de Monte-Carlo do movimento de atomos de calcio nessas configuracoes. Finalmente, abordamos a armadilha magneto-optica para atomos de calcio desenvolvida recentemente no grupo e suas futuras aplicacoes em fisica basica e metrologia aplicada.
Dentro as técnicas de controle do movimento atômico utilizando pressão de radiação, aprisionamento tem merecido maior destaque por produzir amostras de átomos mais frios (temperaturas da ordem de μK), com altas densidades e confinadas em pequenas regiões do espaço. Devido a essas motivações, tem sido grande o esforço para desenvolver e caracterizar estas armadilhas atômicas. Uma das mais eficientes armadilhas de átomos neutros construídas até agora é a armadilha magneto-óptica. O átomo uma vez capturado por este tipo de armadilha passa por um intenso processo de desaceleração via efeito Doppler e acaba por ficar confinado no poço de potencial gerado pela interação com o campo magnético. O número e a densidade de átomos aprisionados, o tamanho da nuvem e o processo de carga possuem forte dependência com os parâmetros da armadilha, tais como: Este trabalho trata da caracterização de uma armadilha deste tipo para átomos de sódio através de um estudo sistemático para descobrir as condições de sua melhor performance. Paralelamente a este estudo, desenvolvemos modelos teóricos para entender em detalhe os processos de produção dessas nuvens de átomos aprisionados e as forças envolvidas neste tipo de material que é esse gás super resfriado.