En este trabajo se estudian los principios físicos y se calculan los parámetros necesarios para implementar una trampa magneto-óptica (MOT) para átomos de cesio. El estudio comienza con la evaluación de la factibilidad de atrapar los átomos mediante campos magnéticos generados por bobinas en configuración anti-Helmholtz. Posteriormente, se analiza el comportamiento del cesio en presencia de dicho campo y se calcula explícitamente el potencial de confinamiento. Se estudia también la interacción de la luz láser con los átomos para entender la fuerza de radiación y el proceso de enfriamiento láser. Se investigan las temperaturas de confinamiento alcanzables y los límites teóricos de enfriamiento, mostrando que es posible llegar a temperaturas del orden de los microKelvin. Finalmente, se examina cómo la melaza óptica y el campo magnético actúan de forma complementaria para lograr el confinamiento de los átomos de cesio. La dinámica de los átomos en la trampa puede describirse como el de un oscilador sobreamortiguado. Se espera que este trabajo siente las bases para la futura implementación experimental de una MOT para cesio en la universidad.
En este trabajo se estudian los principios físicos y se calculan los parámetros necesarios para implementar una trampa magneto-óptica (MOT) para átomos de cesio. El estudio comienza con la evaluación de la factibilidad de atrapar los átomos mediante campos magnéticos generados por bobinas en configuración anti-Helmholtz. Posteriormente, se analiza el comportamiento del cesio en presencia de dicho campo y se calcula explícitamente el potencial de confinamiento. Se estudia también la interacción de la luz láser con los átomos para entender la fuerza de radiación y el proceso de enfriamiento láser. Se investigan las temperaturas de confinamiento alcanzables y los límites teóricos de enfriamiento, mostrando que es posible llegar a temperaturas del orden de los microKelvin. Finalmente, se examina cómo la melaza óptica y el campo magnético actúan de forma complementaria para lograr el confinamiento de los átomos de cesio. La dinámica de los átomos en la trampa puede describirse como el de un oscilador sobreamortiguado. Se espera que este trabajo siente las bases para la futura implementación experimental de una MOT para cesio en la universidad.
El proceso de absorción de dos fotones (TPA) tiene gran interés actualmente debido a su variedad de aplicaciones técnicas, así como el estudio del proceso de interacción luz-materia en diversos materiales. Siendo así, una forma de cuantificar la probabilidad de que se dé el TPA es por medio del cálculo de su sección eficaz. En el caso de átomos alcalinos, dicho cálculo se puede realizar en forma analítica al analizar a interacción del átomo con un campo de radiación usando teoría de perturbaciones de segundo orden. En este trabajo se calcula la sección eficaz de absorción de dos fotones para diferentes transiciones en átomos de Cesio. En particular, para la transición 6S1/2 8S1/2 se estimó, a partir de este cálculo, la tasa de fluorescencia inducida por TPA. Estos valores fueron comparados con valores obtenidos al implementar un montaje experimental que permite la detección de fluorescencia inducida por TPA en átomos de Cesio utilizando un láser CW para una longitud de onda de 822 nm. La fluorescencia se detectó cuando la frecuencia del láser está en resonancia con la transición 6S1/2(F = 3) 8S1/2(F' = 3). Los primeros resultados muestran que el ancho de línea medido corresponde al mismo orden de magnitud a lo esperado por ensanchamiento Doppler y que la tasa de fluorescencia medida es mayor que los valores calculados.
En 1985, se logró, por primera vez, enfriar átomos alcalinos utilizando luz láser. Con este mecanismo se obtuvo un gas de átomos (melaza óptica) con temperaturas del orden de 100 K. Estos resultados concordaban con el modelo teórico, en que los átomos eran considerados con dos niveles energéticos, y se enfriaban por efecto Doppler. La temperatura más baja posible (Límite Doppler) también fue corroborada. En 1988, mediciones de la melaza óptica resultaron del orden de 10 K, muy por debajo del límite Doppler. Este resultado obligó a la búsqueda de un nuevo modelo. Éste modelo, presentado por S. Chu, C. Cohen Tannoudji, y sus equipos, de forma independiente, considera: los subniveles del átomo, el desplazamiento luminoso, los gradientes de polarización y el bombeo óptico. Estos efectos combinados hacen que la energía del átomo dependa de su posición en la melaza. Como consecuencia, al atravesar la melaza, el átomo pierde más y más energía, por tanto, el gas se enfría. Este mecanismo recibió el nombre de “Enfriamiento Sísifo”.
El proceso de absorción de dos fotones, TPA por sus siglas en inglés, ha sido ampliamente estudiado en diferentes átomos y moléculas, con el fin de aplicarlo a diferentes áreas de desarrollo tecnológico y científico. Uno de los parámetros que permite cuantificar la probabilidad de que este proceso ocurra es la sección eficaz de la absorción de dos fotones. Calcularla y medirla es, por lo general, el punto de partida para realizar experimentos que buscan producir este tipo de transiciones multifotónicas usando diferentes tipos de fuentes de luz, como, por ejemplo, una fuente de pares de fotones enredados. Bajo este contexto, el presente trabajo consiste en estudiar la sección eficaz del TPA en átomos de Cesio bajo dos facetas, una teórica y una experimental. La parte teórica se enfoca en el cálculo de la sección eficaz del TPA en átomos de Cesio usando la teoría de perturbaciones dependiente del tiempo a segundo orden para la transición 6S1/2 8S1/2. La parte experimental se centra en la medición de la sección eficaz mediante la técnica de la fluorescencia inducida por TPA (TPIF) en un gas de Cesio, analizando la señal de fluorescencia generada por la interacción del Cesio con luz láser de 822 nm
La idea central de la presente tesis es poner de manifesto efectoscuánticos que aparecen en la interacción entre átomos de pocos nivelescon radiación electromagnética y entre modos de radiación entre sí considerandola radiación cuantificada. Se trataron diferentes sistemas deinterés en el ámbito de la elcctrodinámica cuántica de cavidades, utilizandotécnicas como la de hallar los operadores relevantes en el marcode la teoría de álgebras dinámicas y también utilizando ecuación maestrapara la evolución del operador densidad. Se estudió el problema deun átomo de dos niveles interactuando con dos modos de radiación enpresencia de un medio no lineal. Para este sistema se encontró que lapresencia del medio no lineal inhibe los efectos típicos de estos sistemascomo ser los colapsos y resurrecciones de la inversión de población, ytambién el antiagrupamiento. También se estudió un hamiltoniano de Jaynes-Cummings generalizado que no toma en cuenta la aproximaciónde onda rotante y además en presencia de un campo externo. Se pudoencontrar un conjunto de operadores adecuado para estudiar este sistemaque permite evaluar la evolución temporal del valor medio de cualquiercantidad de relevancia. En la presente tesis se hace una propuesta parapoder utilizar un divisor dc haz como discriminador de entrelazamientoentre dos modos del campo electromagnético; además en algunos casospodemos identificar diferentes elementos de la base de Bell. También eneste trabajo se hace un estudio de factibilidad de una propuesta paragenerar en forma condicional estados de Fock en una cavidad. Para ellose relajan aproximaciones y se tienen en cuenta las pérdidas dentro dela cavidad, encontrándose que el esquema es robusto antes condicionesreales, siendo entonces promisoria su realización experimental.
EN EL LABORATORIO DE ATOMOS FRIOS DEL INSTITUTO DE CIENCIAS NUCLEARES (ICN) ENFRIAN DE FORMA COTIDIANA ATOMOS A TEMPERATURAS CERCANAS AL CERO ABSOLUTO, ES DECIR, CASI A – 273.15° CELSIUS. EL OBJETIVO ES HACER INVESTIGACION BASICA Y APLICADA. AL ENFRIAR ATOMOS SE PUEDE ESTUDIARLOS Y CONTROLARLOS CON MUCHISIMA PRECISION, DIJO FERNANDO RAMIREZ MARTINEZ, INVESTIGADOR CORRESPONSABLE DEL LABORATORIO. “PRIMERO TENEMOS QUE ATRAPARLOS, Y PARA LOGRARLO NECESITAMOS INTERACTUAR CON ELLOS. PARA ESTO, LA LUZ ES NUESTRA PRINCIPAL HERRAMIENTA DE TRABAJO”. LOS INVESTIGADORES, PARA ALCANZAR ESAS TEMPERATURAS, HACEN MAS LENTO EL MOVIMIENTO DE LAS PARTICULAS ATOMICAS UTILIZANDO HACES DE LUZ LASER. USUALMENTE, LA EXPERIENCIA INDICA QUE LA LUZ CALIENTA A LA MATERIA SOBRE LA QUE INCIDE, COMO CUANDO NOS PONEMOS AL SOL. PERO USANDO LA LUZ LASER DE UNA MANERA MUY PRECISA PUEDEN ENFRIARSE LOS ATOMOS, REDUCIENDO SU MOVIMIENTO CASI AL GRADO DE DETENERLOS POR COMPLETO. EN EL LABORATORIO UTILIZAN ATOMOS DE RUBIDIO EN ESTADO GASEOSO, AUNQUE TAMBIEN SUELEN USARSE EN ESTOS EXPERIMENTOS OTROS, COMO EL CESIO QUE INCIDENTALMENTE SE EMPLEA PARA DEFINIR LA DURACION DE UN SEGUNDO, EXPLICO LINA MARIETH HOYOS, PARTICIPANTE EN EL PROYECTO. TRABAJAN CON EL RUBIDIO SIMPLEMENTE POR CUESTIONES TECNICAS, PUES RESULTA MAS ECONOMICO Y SU MANEJO ES MUY SENCILLO, AGREGO RAMIREZ MARTINEZ. UNA TRAMPA MAGNETO-OPTICA ES UN DISPOSITIVO EN EL QUE SE ENFRIAN Y CONFINAN LOS ATOMOS EN UN VOLUMEN MUY PEQUENITO. ESTA COMPUESTA POR UNA CAMARA DE VACIO EN LA QUE SE INYECTAN LOS QUE SE QUIEREN ENFRIAR, QUE EN UN PRINCIPIO SE MUEVEN MUY RAPIDO Y EN TODAS DIRECCIONES (EN PROMEDIO ALGUNOS CIENTOS DE METROS POR SEGUNDO), DEBIDO A QUE SE ENCUENTRAN A TEMPERATURA AMBIENTE. PARA INTERACTUAR CON ELLOS LA HERRAMIENTA QUE USAN Y QUE EJERCE UNA FUERZA QUE LOS FRENE AL GRADO DE CASI DETENER POR COMPLETO SU MOVIMIENTO SON LOS FOTONES DE UN HAZ LASER CON UNA LONGITUD DE ONDA MUY ESPECIFICA, EXPLICO RAMIREZ MARTINEZ. UNA VEZ AHI, DESPUES DE CIERTO TIEMPO DE SER FRENADOS POR LA LUZ, LOS ATOMOS YA NO SIENTEN LA FUERZA Y EMPIEZAN A MOVERSE A UNA VELOCIDAD TERMINAL Y CONSTANTE, EXPLICO EL INVESTIGADOR. EN ESTA FASE LOS ATOMOS ESTAN EN LA REGION DONDE LOS LASERES SE INTERSECTAN, Y SU MOVIMIENTO ES TAN LENTO QUE ES COMO SI ESTUVIERAN ATRAPADOS EN UN LIQUIDO VISCOSO, UN EFECTO QUE LOS CIENTIFICOS QUE CREARON UNA DE LAS PRIMERAS TRAMPAS MAGNETO-OPTICAS LLAMARON ‘MELAZA OPTICA’, AGREGO. SE CREAN PAREDES MAGNETO-OPTICAS PARA IMPEDIR QUE LOS ATOMOS SALGAN DE LA MALEZA OPTICA. EL INVESTIGADOR UNIVERSITARIO EXPLICO QUE CON LOS ATOMOS FRIOS SE PUEDE MEDIR CON IGUAL O MAYOR PRECISION LA ACELERACION DE LA GRAVEDAD DE LA TIERRA. AGREGO QUE CON LOS ATOMOS FRIOS PODEMOS BUSCAR YACIMIENTOS MINERALES, DE PETROLEO O RESERVAS DE AGUA. A ESO SE LE CONOCE COMO GRAVIMETRIA. PERO NO SOLO PARA HACER LA BUSQUEDA, SINO TAMBIEN PARA ADMINISTRAR ESOS YACIMIENTOS RESULTA UTIL MEDIR SI EL NIVEL DE LAS RESERVAS DE AGUA ESTA BAJANDO O SUBIENDO. ESTO LO PODEMOS DETECTAR AL MEDIR LOS CAMBIOS EN LA ACELERACION DE LA GRAVEDAD CAUSADOS POR LAS VARIACIONES DE LAS RESERVAS DE AGUA. OTRA APLICACION DE ESTOS DISPOSITIVOS CON IMPORTANTES IMPLICACIONES PARA EL BIENESTAR DE LA SOCIEDAD EN NUESTRO PAIS CONSISTE EN DETECTAR EL MOVIMIENTO DE LAS PLACAS TECTONICAS. “ES IMPORTANTE QUE LO QUE VAYAMOS A MEDIR SEA ALGO CON MASA, YA SEA DE AGUA O DE PETROLEO, PORQUE DE ESA MANERA OBTENDREMOS LA INFORMACION QUE REQUERIMOS; LO MISMO OCURRE CON EL MOVIMIENTO DE LAS PLACAS TECTONICAS. SI HAY MAS O MENOS AGUA, O SI HAY UN DESPLAZAMIENTO EN ALGUNA PLACA TECTONICA, ENTONCES, LA MASA CAMBIA Y EN TODOS LOS CASOS EL VALOR DE “G” ES DIFERENTE”, EXPLICO MARIETH HOYOS. CON UN GRAVIMETRO DE ATOMOS FRIOS PODRIA MEDIRSE COMO DISMINUYE LA MASA DE AGUA SUBTERRANEA, A QUE TASA SUCEDEN ESTOS CAMBIOS, E INCLUSO SI SE ESTA YENDO A OTRO LADO, SIN NECESIDAD DE HACER PERFORACIONES. EN EL CASO DE CIUDAD DE MEXICO, EL GRAVIMETRO DARIA INFORMACION DE CUANTO ESTA BAJANDO EL NIVEL DE AGUA EN LOS MANTOS FREATICOS Y ESTO PUEDE RELACIONARSE CON LOS HUNDIMIENTOS DEL SUELO CAUSADOS POR LA EXTRACCION EXCESIVA DE AGUA, INDICO RAMIREZ MARTINEZ.
El proyecto de investigacion realizado en esta tesis se enmarca dentro del campo de la optica cuantica, y su objetivo principal ha sido el estudio de los efectos que se producen debido a la interaccion entre un atomo ultrafio de dos niveles en movimiento y un campo laser localizado en cierta region del espacio.
Uno de los efectos encontrados es la supresion de las oscilaciones de Rabi cuando el atomo entra en la region iluminada por el laser, que depende de la velocidad de incidencia del atomo en dicha region y constituye un metodo de seleccion de estados: independientemente del estado de incidencia, el estado final puede ser seleccionado variando parametros del laser tales como la intensidad y el desintonizado. Se ha estudiado la analogia optica de este efecto de supresion en terminos de la actividad optica y de la polarizacion de la luz en interaccion con un medio opticamente activo.
Para modelar la interaccion fisica entre el atomo y el laser, hemos obtenido un potencial complejo exacto, no local y dependiente de la energia, que en cierto limite puede aproximarse por un potencial local y dependiente de la energia, que en cierto limite puede aproximarse por un potencial local e independiente de la energia, lo que a su vez justifica el uso de este tipo de potenciales en los modelos de medida de tiempos, en particular en medidas de tiempos de llegada de particulas sujetas a potenciales externos.
Finalmente, usando el potencial complejo hemos propuestos dos metodos de deteccion perfecta de atomos ultrafrios y hemos comparado dicho potencial con otros potenciales absorbentes perfectos basados en argumentos semiclasicos.