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Estudio teórico y experimental de la sección eficaz de la absorción de dos fotones en átomos de Cesio

Michael Stiven Caracas Núñez

Published Jan 24, 2023• 0 citations
OpenAlex

Abstract

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

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Caracterización de absorción de dos fotones en átomos de Cesio

Miguel Ángel Gonz’alez Jaimes

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.

•Jan 1, 2021•0 citations

Sección eficaz de absorción de pares de fotones correlacionados en moléculas

Ana María Torres Novoa

El proceso de absorción de pares de fotones correlacionados (ETPA, por sus siglas en inglés) ha ganado relevancia con el tiempo gracias a las diversas aplicaciones que posee tanto en física como en biología. En este trabajo se mide experimentalmente la probabilidad de ETPA a partir de la sección eficaz de absorción de pares de fotones correlacionados en la molécula de Rodamina B para dos concentraciones en solución de Metanol. La fuente de fotones correlacionados se obtiene por el proceso de conversión paramétrica espontánea (SPDC, por sus siglas en inglés). Esta fuente se caracteriza, en función de la potencia del bombeo y de la potencia de los pares de fotones, mediante un sistema de detección de coincidencias de los pares de fotones y a partir de la función de correlación temporal de segundo orden. Se comprueba la dependencia lineal de la absorción con el flujo del haz incidente en la muestra, como se predice teóricamente. Además, se obtiene la tasa de absorción de pares de fotones en las moléculas en función de la tasa de pares de fotones que son transmitidos por el solvente para ambas concentraciones y se determina la sección eficaz a partir del valor de la pendiente de la recta. Los resultados indican una mayor absorción y una menor sección eficaz para altas concentraciones de Rodamina B en Metanol. Los valores se encuentran en el orden de magnitud esperado para el fenómeno de ETPA y son comparables con valores obtenidos previamente con experimentos que emplean métodos similares de medición. Se evidenció que la absorción ETPA desaparece al filtrar los pares de fotones, como es de esperarse. Las medidas realizadas son una prueba de que se mide ETPA y no fenómenos como absorción de un fotón (SPA) o dispersión.

•Jan 1, 2021•0 citations

Generación y caracterización de ternas de fotones enredados

María Corona García-Cabral

En la actualidad existen tecnologías cuánticas que requieren de la disponibilidad de fuentes de luz no-clásica eficientes. El fenómeno de generación paramétrica descendente espontánea (SPDC) constituye un método práctico para la generación de este tipo de luz. Este método está basado en la interacción de campos electromagnéticos clásicos con materiales no-lineales por medio de procesos paramétricos. En general, el SPDC se ha utilizado e implementado experimentalmente para la generación de parejas de fotones utilizando materiales no-lineales de segundo y tercer orden. En la última década se ha buscado la manera de obtener múltiples fotones enredados. En este trabajo se presenta un estudio teórico del proceso de generación paramétrica espontánea descendente de tercer orden (TOSPDC) en materiales con una no-linealidad caracterizada por X(3), en donde se generan ternas de fotones enredados. De manera específica, consideramos la utilización de fibras ópticas ultra-delgadas como el medio no-lineal para el proceso de TOSPDC, en configuraciones en donde el empatamiento de fases se logra mediante el uso de diferentes modos transversales de propagación de la fibra, en particular cuando la luz generada se propaga en el modo fundamental y el bombeo en el primer modo excitado. Este trabajo está enfocado en proponer diseños de fuentes de ternas de fotones TOSPDC con los detalles necesarios, de tal manera que puedan ser implementados de manera experimental. Nuestro trabajo de investigación se enfoca en la descripción teórica del estado de tres fotones y en las características de empatamiento de fases de TOSPDC. Además se hace un análisis de la tasa de emisión de las fuentes propuestas en relación con los parámetros experimentales clave, como lo son la longitud de la fibra, el ancho de banda y la potencia de bombeo para cada una de las fuentes propuestas: casos de generación TOSPDC degenerada en frecuencia y no-degenerada en frecuencia. De manera adicional, se hace un estudio preliminar sobre las condiciones de empatamiento de velocidad de grupo para así lograr un control sobre las propiedades de enredamiento de las ternas de fotones emitidas.

•Jan 1, 2012•0 citations

Tiempos característicos ideales y operacionales en mecánica cuántica

Damborenea González, José Antonio

En esta tesis hemos desarrollado un modelo operacional para la prediccion de distintos tiempos caracteristicos en mecanica cuantica. La conexion entre las cantidades temporales ideales y operacionales ha sido un aspecto muy poco estudiado hasta la fecha, y nuestro objetivo ha consistido fundamentalmente en modelar un dispositivo fisico que enlace ambas cantidades. Para ello hemos disenado un modelo basado en la deteccion del primer foton de fluorescencia emitido por un atomo de dos niveles excitado por un haz laser. La distribucion temporal de fotones de fluorescencia proporciona asi una distribucion operacional de tiempos de llegada. Hemos realizado un detallado estudio analitico del modelo considerando las diferentes posibilidades geometricas del haz y delimitado los parametros que proporcionan una buena medida en los distintos regimenes operacionales. Tambien, hemos simulado numericamente las medidas temporales con los parametros correspondientes a una transicion especifica de un atomo de Cesio, asi como el estudio analitico del potencial complejo monocanal, equivalente al sistema bicanal del laser, y sus aplicaciones al calculo de valores promedio de tiempos de permanencia y posibilidad de medida del efecto ultra-Hartman.

•Jan 1, 2004•0 citations

Estudio teórico de la propagación de haces de luz láser en medios ópticos cúbico-quínticos

María Jesús Alonso Paz

El proposito general de esta tesis es estudiar, mediante simulaciones numericas, la propagacion de haces de luz laser en los denominados medios opticos cubico-quimicos (C-Q). Estos materiales se caracterizan por tener un indice de refraccion que depende de la potencia del haz de luz incidente, de tal manera que es autoenfocante para intensidades bajas y autodesenfocante para intensidades altas. En este tipo de medios la luz adquiere unas propiedades fisicas similares a las de los fluidos habituales, como la existencia de vortices estables y de tension superficial. Este proceso puede interpretase como una transicion de fase de un gas de fotones a un 'liquido de luz'. En primer lugar se ha estudiado, de manera teorica, como utilizar un sistema atomico de cuatro niveles con transparencia inducida electromagneticamente (EIT) para alcanzar una situacion con susceptibilidades de tercer y quinto orden gigantescas y de signo opuesto. Una eleccion adecuada de los parametros permite obtener condensados de luz bidimensionales estables. Nuestros resultados teoricos podrian ser la base para experimentos reales en optica no lineal con laseres continuos de mW. Para la determinacion de indices de refraccion no lineales, se ha considerado la tecnica de Z scan. Se ha desarrollado una teoria simple basada en el metodo de los momentos, que permite ajustar los datos experimentales de Z scan. Se han obtenido los estados estacionarios de la ecuacion no lineal de Schrodinger C-Q, para diferentes potencias del haz, y se han formulado experimentos ideales para estudiar su dinamica. Las propiedades fisicas del estado resultante, como tension superficial, son similares a las de los fluidos habituales. Despues se ha realizado una comparacion entre los estados estacionarios del medio C-Q y los que se obtienen para el sistema atomico de cuatro niveles con EIT, obteniendo resultados muy similares. Posteriormente se han calculado estados ti

•Jan 1, 2006•0 citations

Light-matter interaction interaction with atomic ensembles

B. Dubost

El estudio de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos es un area de investigacion activa. Este tipo de sistema permite fundamental estudios sobre la medicion en el contexto de las variables continuas, en entrelazamiento colectiva y en las simulaciones cuanticas. Este campo de la investigacion tambien es interesante en el contexto de la metrologia cuantica, comunicacion cuantica y la computacion cuantica. En esta tesis dos aspectos complementarios de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos han sido estudiados con iones atrapados y atomos neutros frios. El experimento de iones atrapados pretende evaluar la posibilidad de utilizar grandes nubes de iones para la realizacion de una memoria cuantica con largo tiempo de coherencia. En vez de que el experimento de atomos frios se centro en el uso de medidas de no demolicion cuantica para evaluar estados no gaussianos. Este experimento es parecido a los experimentos de comunicacion cuantica que se desarrollan actualmente. Los iones atrapados enfriados por laser pueden llegar a una fase cristalina debido a la fuerte repulsion de Coulomb entre los iones. En esta fase, las relativas posiciones entre los iones se fijan de manera a evitar las colisiones y los iones que exploran inhomogeneidades del campo magnetico que puede ser una fuente de perdida de coherencia. Con bajo numero de iones, largos tiempos de coherencia han sido demostrados. Con iones numerosos, el mecanismo de captura puede inducir un calentamiento de la nube de iones, haciendo asi mas dificil de obtener el regimen cristalizado. Durante esta tesis, los cristales de Coulomb grandes que contiene mas de 106 iones se han obtenidos y la prueba de la transparencia inducida electromagneticamente en tal sistema ha sido obtenida. Este estudio tambien revelo las limitaciones de este tipo de sistemas que tienen que ser estudiado mas a fondo para obtener una fuerte probabilidad de interaccion con conjuntos de iones frios en un regimen permitiendo largos tiempos de coherencia. Los sistemas de atomos neutros permiten fuertes probabilidades de acoplamiento luz materia, pero generalmente reduce los tiempos de coherencia. Memorias cuanticas, el entrelazamiento entre atomos y la luz, magnetometria de alta precision han sido demostrados en experimentos relacionados con vapores atomicos neutros. El sistema utilizado en esta tesis se ha disenado para permitir que la probabilidad de acoplamiento luz materia sea importante, con pulsos de luz polarizada, lo que permite medir con precision el estado de espin del sistema atomico sin destruccion y con bajo ruido. La medicion del ruido del sistema es mas baja que el ruido atomico, lo que podria inducir el entrelazamiento colectivo de los espines atomicos (a traves del squeezing de espines inducido por la medicion) y mediciones de campo magnetico ultra sensibles. Este sistema esta estrechamente relacionado con sistemas disenados para la creacion de comunicacion cuantica y memorias cuanticas. Los estados atomicos no gaussianos constituyen un recurso para la computacion cuantica y la comunicacion cuantica, en el contexto de los experimentos de fisica atomica, su deteccion puede ser dificil. El trabajo presentado en esta tesis se centra en la deteccion de los estados no gaussianos en conjuntos atomicos utilizando cumulants, y en particular el ruido relacionado con la medicion de los cumulants.

•Jan 1, 2012•0 citations
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
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.
El proceso de absorción de pares de fotones correlacionados (ETPA, por sus siglas en inglés) ha ganado relevancia con el tiempo gracias a las diversas aplicaciones que posee tanto en física como en biología. En este trabajo se mide experimentalmente la probabilidad de ETPA a partir de la sección eficaz de absorción de pares de fotones correlacionados en la molécula de Rodamina B para dos concentraciones en solución de Metanol. La fuente de fotones correlacionados se obtiene por el proceso de conversión paramétrica espontánea (SPDC, por sus siglas en inglés). Esta fuente se caracteriza, en función de la potencia del bombeo y de la potencia de los pares de fotones, mediante un sistema de detección de coincidencias de los pares de fotones y a partir de la función de correlación temporal de segundo orden. Se comprueba la dependencia lineal de la absorción con el flujo del haz incidente en la muestra, como se predice teóricamente. Además, se obtiene la tasa de absorción de pares de fotones en las moléculas en función de la tasa de pares de fotones que son transmitidos por el solvente para ambas concentraciones y se determina la sección eficaz a partir del valor de la pendiente de la recta. Los resultados indican una mayor absorción y una menor sección eficaz para altas concentraciones de Rodamina B en Metanol. Los valores se encuentran en el orden de magnitud esperado para el fenómeno de ETPA y son comparables con valores obtenidos previamente con experimentos que emplean métodos similares de medición. Se evidenció que la absorción ETPA desaparece al filtrar los pares de fotones, como es de esperarse. Las medidas realizadas son una prueba de que se mide ETPA y no fenómenos como absorción de un fotón (SPA) o dispersión.
En la actualidad existen tecnologías cuánticas que requieren de la disponibilidad de fuentes de luz no-clásica eficientes. El fenómeno de generación paramétrica descendente espontánea (SPDC) constituye un método práctico para la generación de este tipo de luz. Este método está basado en la interacción de campos electromagnéticos clásicos con materiales no-lineales por medio de procesos paramétricos. En general, el SPDC se ha utilizado e implementado experimentalmente para la generación de parejas de fotones utilizando materiales no-lineales de segundo y tercer orden. En la última década se ha buscado la manera de obtener múltiples fotones enredados. En este trabajo se presenta un estudio teórico del proceso de generación paramétrica espontánea descendente de tercer orden (TOSPDC) en materiales con una no-linealidad caracterizada por X(3), en donde se generan ternas de fotones enredados. De manera específica, consideramos la utilización de fibras ópticas ultra-delgadas como el medio no-lineal para el proceso de TOSPDC, en configuraciones en donde el empatamiento de fases se logra mediante el uso de diferentes modos transversales de propagación de la fibra, en particular cuando la luz generada se propaga en el modo fundamental y el bombeo en el primer modo excitado. Este trabajo está enfocado en proponer diseños de fuentes de ternas de fotones TOSPDC con los detalles necesarios, de tal manera que puedan ser implementados de manera experimental. Nuestro trabajo de investigación se enfoca en la descripción teórica del estado de tres fotones y en las características de empatamiento de fases de TOSPDC. Además se hace un análisis de la tasa de emisión de las fuentes propuestas en relación con los parámetros experimentales clave, como lo son la longitud de la fibra, el ancho de banda y la potencia de bombeo para cada una de las fuentes propuestas: casos de generación TOSPDC degenerada en frecuencia y no-degenerada en frecuencia. De manera adicional, se hace un estudio preliminar sobre las condiciones de empatamiento de velocidad de grupo para así lograr un control sobre las propiedades de enredamiento de las ternas de fotones emitidas.
En esta tesis hemos desarrollado un modelo operacional para la prediccion de distintos tiempos caracteristicos en mecanica cuantica. La conexion entre las cantidades temporales ideales y operacionales ha sido un aspecto muy poco estudiado hasta la fecha, y nuestro objetivo ha consistido fundamentalmente en modelar un dispositivo fisico que enlace ambas cantidades. Para ello hemos disenado un modelo basado en la deteccion del primer foton de fluorescencia emitido por un atomo de dos niveles excitado por un haz laser. La distribucion temporal de fotones de fluorescencia proporciona asi una distribucion operacional de tiempos de llegada. Hemos realizado un detallado estudio analitico del modelo considerando las diferentes posibilidades geometricas del haz y delimitado los parametros que proporcionan una buena medida en los distintos regimenes operacionales. Tambien, hemos simulado numericamente las medidas temporales con los parametros correspondientes a una transicion especifica de un atomo de Cesio, asi como el estudio analitico del potencial complejo monocanal, equivalente al sistema bicanal del laser, y sus aplicaciones al calculo de valores promedio de tiempos de permanencia y posibilidad de medida del efecto ultra-Hartman.
El proposito general de esta tesis es estudiar, mediante simulaciones numericas, la propagacion de haces de luz laser en los denominados medios opticos cubico-quimicos (C-Q). Estos materiales se caracterizan por tener un indice de refraccion que depende de la potencia del haz de luz incidente, de tal manera que es autoenfocante para intensidades bajas y autodesenfocante para intensidades altas. En este tipo de medios la luz adquiere unas propiedades fisicas similares a las de los fluidos habituales, como la existencia de vortices estables y de tension superficial. Este proceso puede interpretase como una transicion de fase de un gas de fotones a un 'liquido de luz'. En primer lugar se ha estudiado, de manera teorica, como utilizar un sistema atomico de cuatro niveles con transparencia inducida electromagneticamente (EIT) para alcanzar una situacion con susceptibilidades de tercer y quinto orden gigantescas y de signo opuesto. Una eleccion adecuada de los parametros permite obtener condensados de luz bidimensionales estables. Nuestros resultados teoricos podrian ser la base para experimentos reales en optica no lineal con laseres continuos de mW. Para la determinacion de indices de refraccion no lineales, se ha considerado la tecnica de Z scan. Se ha desarrollado una teoria simple basada en el metodo de los momentos, que permite ajustar los datos experimentales de Z scan. Se han obtenido los estados estacionarios de la ecuacion no lineal de Schrodinger C-Q, para diferentes potencias del haz, y se han formulado experimentos ideales para estudiar su dinamica. Las propiedades fisicas del estado resultante, como tension superficial, son similares a las de los fluidos habituales. Despues se ha realizado una comparacion entre los estados estacionarios del medio C-Q y los que se obtienen para el sistema atomico de cuatro niveles con EIT, obteniendo resultados muy similares. Posteriormente se han calculado estados ti
El estudio de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos es un area de investigacion activa. Este tipo de sistema permite fundamental estudios sobre la medicion en el contexto de las variables continuas, en entrelazamiento colectiva y en las simulaciones cuanticas. Este campo de la investigacion tambien es interesante en el contexto de la metrologia cuantica, comunicacion cuantica y la computacion cuantica. En esta tesis dos aspectos complementarios de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos han sido estudiados con iones atrapados y atomos neutros frios. El experimento de iones atrapados pretende evaluar la posibilidad de utilizar grandes nubes de iones para la realizacion de una memoria cuantica con largo tiempo de coherencia. En vez de que el experimento de atomos frios se centro en el uso de medidas de no demolicion cuantica para evaluar estados no gaussianos. Este experimento es parecido a los experimentos de comunicacion cuantica que se desarrollan actualmente. Los iones atrapados enfriados por laser pueden llegar a una fase cristalina debido a la fuerte repulsion de Coulomb entre los iones. En esta fase, las relativas posiciones entre los iones se fijan de manera a evitar las colisiones y los iones que exploran inhomogeneidades del campo magnetico que puede ser una fuente de perdida de coherencia. Con bajo numero de iones, largos tiempos de coherencia han sido demostrados. Con iones numerosos, el mecanismo de captura puede inducir un calentamiento de la nube de iones, haciendo asi mas dificil de obtener el regimen cristalizado. Durante esta tesis, los cristales de Coulomb grandes que contiene mas de 106 iones se han obtenidos y la prueba de la transparencia inducida electromagneticamente en tal sistema ha sido obtenida. Este estudio tambien revelo las limitaciones de este tipo de sistemas que tienen que ser estudiado mas a fondo para obtener una fuerte probabilidad de interaccion con conjuntos de iones frios en un regimen permitiendo largos tiempos de coherencia. Los sistemas de atomos neutros permiten fuertes probabilidades de acoplamiento luz materia, pero generalmente reduce los tiempos de coherencia. Memorias cuanticas, el entrelazamiento entre atomos y la luz, magnetometria de alta precision han sido demostrados en experimentos relacionados con vapores atomicos neutros. El sistema utilizado en esta tesis se ha disenado para permitir que la probabilidad de acoplamiento luz materia sea importante, con pulsos de luz polarizada, lo que permite medir con precision el estado de espin del sistema atomico sin destruccion y con bajo ruido. La medicion del ruido del sistema es mas baja que el ruido atomico, lo que podria inducir el entrelazamiento colectivo de los espines atomicos (a traves del squeezing de espines inducido por la medicion) y mediciones de campo magnetico ultra sensibles. Este sistema esta estrechamente relacionado con sistemas disenados para la creacion de comunicacion cuantica y memorias cuanticas. Los estados atomicos no gaussianos constituyen un recurso para la computacion cuantica y la comunicacion cuantica, en el contexto de los experimentos de fisica atomica, su deteccion puede ser dificil. El trabajo presentado en esta tesis se centra en la deteccion de los estados no gaussianos en conjuntos atomicos utilizando cumulants, y en particular el ruido relacionado con la medicion de los cumulants.