Átomos Frios

Desde os anos 90, os átomos frios têm relevado grande interesse das comunidades de Física Atômica, Informação Quântica e Ótica Não-linear. O resfriamento extremo de átomos bosônicos leva aos famosos condensados de Bose-Einstein. O estudo de átomos frios pode ser feito também através da implementação de redes óticas, com aplicações importantes na física da matéria condensada. Dentro do contexto de informação quântica, o controle coerente dos meios atômicos mediante luz é de grande importância para o armazenamento e processamento de informação.

ÁTOMOS

Empregamos uma armadilha magneto-ótica (MOT) para resfriar e aprisionar átomos de Rubídio (Rb 87). Cerca de 10 milhões de átomos ficam aprisionados no centro de uma câmara de vácuo, formando uma nuvem de aproximadamente 2 mm de diâmetro a uma temperatura de algumas centenas de microkelvins. Essa nuvem de átomos é empregada em experiências de transparência eletromagneticamente induzida (EIT) e mistura de quatro ondas (4WM).

TRANSPARÊNCIA ELETROMAGNETICAMENTE INDUZIDA (EIT)

O fenômeno de EIT ocorre na interação de luz com átomos de três níveis. Em particular, acontece ao acoplar um feixe de controle e um feixe de prova às transições dos dois níveis fundamentais que têm um estado excitado em comum. Quando as dessintonias das frequências dos campos são iguais, os átomos são levados ao chamado estado escuro, em que se tornam transparentes à luz. O estado escuro corresponde à superposição dos níveis fundamentais no qual a probabilidade de achar o átomo no estado excitado é nula. Além da transparência, este é um efeito que se caracteriza pela abrupta mudança na dispersão da luz, o que leva à possibilidade de reduzir a velocidade de grupo de um pulso de luz até poucos metros por segundo, fenômeno conhecido como luz lenta. O tempo de vida relativamente longo dessa superposição de estados fundamentais e o efeito de luz lenta fazem do fenômeno de EIT uma ferramenta importante em interfaces luz-matéria. No contexto de informação quântica, esta interface possibilitaria a troca de informação entre a luz e a matéria.

No laboratório, investigamos como as flutuações de fase da luz são transformadas em flutuações de amplitude para campos interagindo com átomos frios em condição de EIT. Caracterizamos esta transformação pelo coeficiente de correlação de intensidade dos dois campos após a interação com os átomos. Estabelece-se assim uma técnica espectroscópica bastante estudada no nosso grupo, chamada espectroscopia do coeficiente de correlação. Ela permite estimar diretamente a taxa de descoerência dos níveis fundamentais dos átomos e estudar os efeitos dinâmicos da interação luz-matéria (p. ex. estimar as forças que os feixes de luz exercem sobre a nuvem atômica).

MISTURA DE QUATRO ONDAS (4WM)

A mistura de quatro ondas é um fenômeno ótico em que dois campos intensos e um campo de prova são acoplados por um meio não-linear de terceira ordem, gerando uma quarta onda, o feixe conjugado. A mistura de quatro ondas feita com gases atômicos a temperatura ambiente permite a geração emaranhamento (entre prova e conjugado) sem a necessidade de cavidades óticas, diferentemente do Oscilador Paramétrico Ótico (OPO). No laboratório, estudamos atualmente a geração do feixe conjugado empregando a nuvem atômica fria de Rubídio como meio não-linear.