O presente trabalho procura investigar alguns dos processos colisionais de átomos de Rydberg ultrafrios. Utilizando uma armadilha magneto-óptica (MOT), foi possível aprisionar átomos de 85Rb, um elemento alcalino metálico, numa região da ordem de lmn a temperaturas da ordem de poucas centenas de ?K, regime chamado de \"ultrafrio\" na literatura. Os átomos de 85Rb são então excitados para estados de alto número quântico principal, também chamados de estados de Rydberg, através de um laser pulsado. Nesses estados, os átomos apresentam propriedades exageradas devido ao tamanho da órbita do elétron de valência, sendo uma delas os potenciais de longo-alcance. Em nossos experimentos, após a excitação, são detectados átomos em estados vizinhos ao originalmente excitado, evidenciando a existência de transições. Como esses estados são muito próximos em energia, a presença de potenciais de longo alcance pode fazer a energia de um par de átomos de Rydberg no seu estado inicial ficar ressonante com a energia do mesmo par numa combinação de outros estados, tornando então possível transições para esses estados. Nosso estudo visa quantificar de certa forma essas observações, assim como estimar a importância do movimento desses átomos nas transições observadas. / This dissertation seeks to address some of the characteristics of collisional processes in ultracold Rydberg atoms. With a Maqneto-Optical Trap (MOT), we trapped a sample of 85Rb, an alkaline metal element, in a region of about lmm at a temperature of a few hundreds of ?K, known in the literature as the \"ultracold\" regime. The 85Rb atoms are then excited to high principal quantum number states, also known as Rydberg states, with a pulsed laser. In these states, the atoms present exaggerated properties due to the large valence electron orbit, such as long-range potentials in our experiments, after excitation, we have detected atoms in neighboring states to the originally excited state, an evidence of atomic transitions. Since these states have similar energy, the presence of long-range potentials can make the energy of a pair of atoms in the initial state be resonant with the energy of the same pair in a combination of different states, making it possible to have transitions to these nearby states. Our work tries to quantify these observations, as well as to gauge the role of atomic movement in these transitions.

O presente trabalho procura investigar alguns dos processos colisionais de átomos de Rydberg ultrafrios. Utilizando uma armadilha magneto-óptica (MOT), foi possível aprisionar átomos de 85Rb, um elemento alcalino metálico, numa região da ordem de lmn a temperaturas da ordem de poucas centenas de ?K, regime chamado de \"ultrafrio\" na literatura. Os átomos de 85Rb são então excitados para estados de alto número quântico principal, também chamados de estados de Rydberg, através de um laser pulsado. Nesses estados, os átomos apresentam propriedades exageradas devido ao tamanho da órbita do elétron de valência, sendo uma delas os potenciais de longo-alcance. Em nossos experimentos, após a excitação, são detectados átomos em estados vizinhos ao originalmente excitado, evidenciando a existência de transições. Como esses estados são muito próximos em energia, a presença de potenciais de longo alcance pode fazer a energia de um par de átomos de Rydberg no seu estado inicial ficar ressonante com a energia do mesmo par numa combinação de outros estados, tornando então possível transições para esses estados. Nosso estudo visa quantificar de certa forma essas observações, assim como estimar a importância do movimento desses átomos nas transições observadas. / This dissertation seeks to address some of the characteristics of collisional processes in ultracold Rydberg atoms. With a Maqneto-Optical Trap (MOT), we trapped a sample of 85Rb, an alkaline metal element, in a region of about lmm at a temperature of a few hundreds of ?K, known in the literature as the \"ultracold\" regime. The 85Rb atoms are then excited to high principal quantum number states, also known as Rydberg states, with a pulsed laser. In these states, the atoms present exaggerated properties due to the large valence electron orbit, such as long-range potentials in our experiments, after excitation, we have detected atoms in neighboring states to the originally excited state, an evidence of atomic transitions. Since these states have similar energy, the presence of long-range potentials can make the energy of a pair of atoms in the initial state be resonant with the energy of the same pair in a combination of different states, making it possible to have transitions to these nearby states. Our work tries to quantify these observations, as well as to gauge the role of atomic movement in these transitions.

Este trabalho descreve os métodos usados para obtenção de uma amostra ultra-fria de átomos de estrôncio. Os métodos usados para preparar a amostra são: um desacelerador Zeeman e duas armadilhas magneto-ópticas (MOT). O primeiro MOT operando na transição 1S0−1 P1 (azul) e o segundo na transição 1S0−3P1 (vermelha). Com relação ao primeiro estágio, se faz necessário o uso de um laser de comprimento de onda de 497nm, que através da transição 3P2−3D2 recuperam os átomos que sofrem transição para os chamados estados escuros. O último estágio é uma armadilha de dipolo para átomos de estrôncio usando apenas um feixe laser com comprimento de onda de 1064nm. O carregamento dessa armadilha é feito transferindo uma amostra atômica já pré-resfriadas. Explicamos de que maneira é feita a análise e aquisição dos resultados apresentados. Ressaltamos ainda a importância dos resultados obtidos para o projeto atual e para projetos futuros. / The present work describes the methods used to obtain a sample of ultra cold atoms of strontium. The methods necessary for obtaining the sample are: a Zeeman decelerator and a two step magneto-optical trap (MOTs). The first MOT works on the blue transition 1S0−1P1 while the second is operating on the red transition 1S0−3P1 transition. In the first stage a laser operating at 497nm is used to drive the 3P2−3D2 transition in order to prevent atoms accumulating in the 3P1 dark state. The last stage, after cooling, consists in a dipole trap for strontium atoms using only one laser beam with 1064nm wavelength. This trap is loaded by the transfer of a pre cooled atomic sample. We explain how the analysis and acquisition of the presented data are made. We also emphasize the importance of the obtained results for the current project as well as for future ones.

Átomos alcalinos são boas sondas para compreender as propriedades do He líquido. Considerável atenção experimental tem sido empregada para analisar as mudanças da posição e da largura da linha do espectro de absorção de átomos alcalinos imersos em um ambiente de He líquido. No lado teórico, vários estudos têm usado modelos simplificados como o modelo de bolhas e o modelo de agregado. Considerações de modelos mais realista agora são oportunas e relevantes. Neste trabalho, nós usamos a combinação da simulação de Monte Carlo (MC) e cálculos ab-initio de mecânica quântica (MQ). As configurações do líquido foram geradas para cálculos posteriores de MQ.Umimportante aspecto é a complexa interação interatômica do par He-He. Usando potenciais parametrizados, as simulações clássicas de MC foram efetuadas para sistemas alcalinos (Na, Rb, Cs e Na2) em He líquido e as condições foram T = 3 K e p = 1 atm. Estruturas estatisticamente descorrelacionadas formadas por um elemento alcalino central, envolvido pela primeira camada de solvatação completa, são amostradas e submetidas em um cálculo do espectro com DFT dependente do tempo usando diferentes funcionais híbridos e conjuntos de bases. Usando os funcionais PBE1PBE e O3LYP com conjuntos de bases extensos obtemos o deslocamento espectral em excelente concordância com os resultados experimentais para os sistemas de um único átomo alcalino. Para comparação, também usamos um modelo de agregado com 14 átomos de He em volta do átomo alcalino obtendo excelentes resultados também. O raio do modelo de agregado convergiu para perto do máximo da primeira camada de solvatação da função de distribuição radial. Um ponto adicional a ser considerado é o cálculo da largura da linha obtido com a simulação em He líquido que é discutida neste trabalho. Para o átomo de Rb, a energia de excitação em He líquido é em torno de -18,9 nm. Com a simulação em ambiente de He líquido obtivemos os melhores resultados entre -16,3 nm e -23,3 nm. O valor do deslocamento espectral usando o modelo de agregado ficou entre os -17,3 nm e - 22,3 nm. Os dois modelos apresentam o mesmo raio da bolha, por volta de 6-7Å. Para outros sistemas, como Na e Cs, encontramos a mesma convergência entre o modelo de agregado, a simulação do He líquido e os resultados experimentais. Para o sistema contendo Na2, os valores obtidos ficaram em boa concordância com os valores experimentais. / Alkali atoms are good probes for the understanding of liquid He properties. As such considerable experimental attention has been devoted to the analysis of the changes of line position and widths of the absorption spectra of alkali atoms in liquid He environment. On the theoretical side, several studies have used simplified models such as bubble and cluster models. Considerations of more realistic models are now timely and relevant. In this work, we use a combination of Monte Carlo (MC) simulation and ab initio quantum mechanical (QM) calculations. Liquid configurations are generated for subsequent QM calculations. One important aspect is the consideration of the complex interatomic interaction of the He-He pair. Using parametrized potentials, classical MC simulations are made for the alkali systems (Na, Rb, Cs and Na2) in liquid He. The conditions were T=3K and p=1 atm. Statistically uncorrelated configurations composed of a central alkaline element, surrounded by the full first solvation shell, are sampled and submitted to time-dependent DFT calculations of the spectrum using dierent hybrids functionals and dierents basis sets. Using the PBE1PBE and O3LYP functionals with large basis sets we obtained a spectral shift in excellent agreement with experiment for the systems of single alkaline atom. For comparison, we also used a cluster model and obtained 14 He atoms around the alkali atom with excellent results too. The radius of the cluster model converged to a value close to the maximum of the first solvation shell in radial distribution function. An additional point considered is the calculation of the spectral line width using the liquid simulation also discussed in this work. For Rb atom, the excitation energy in liquid He is about -18.9 nm. With the liquid He environment simulation we obtained the best results between -16.3 nm and -23.3 nm. The values of the spectral shift using the cluster model were between -17.3 nm and 22.3 nm. The two models show the same bubble radius, about 6-7Å. For the others system, like Na and Cs, we found the same convergence between the cluster model, the simulation of the He liquid and the experimental results. For Na2, the values obtained were in good agreement to the experimental values.

Espectroscopia atômica em uma armadilha magneto-ótica / Atomic spectroscopy in a magneto-optical trap

O trabalho trata da desaceleração de feixes de átomos neutros de Sódio, pela técnica de sintonia Zeeman. O processo de desaceleração é estudado em detalhes e demonstrado com a utilização de um único laser. É feito o estudo do seguimento adiabático do átomo em relação ao campo magnético e demonstrada sua importância no processo de produção de fluxos intensos de átomos lentos. A posição em que os átomos param foi modificada, através da mudança do perfil do campo magnético onde os átomos se movimentam, levando-os para uma região de fácil acesso. A forma peculiar da distribuição espacial dos átomos ao atingirem o repouso é explicada e, finalmente, é estudada a focalização dos átomos, através de um campo magnético hexapolar, e o aprisionamento de átomos em uma armadilha magnética / This work describes the deceleration a sodium atoms beam by means of the Zeeman tuning technique. The deceleration process is studied in details and its demonstration is made using a single laser. We have studied and present the adiabatic following of the atoms along the magnetic field and its relevance to produce slow, high density, flux of neutral atoms. The atoms\' stopping position was varied, by changing the magnetic field profile, in a way to produce slows atoms outside the solenoid. The peculiar shape of the atomic spatial distribution of atoms at rest is explained, the focusing of atoms though a hexapole magnetic field is studied and the trapping of atoms in a magnetic trap is demonstrated

Neste trabalho pela primeira vez, desaceleramos um feixe de Cs pela Técnica de Sintonia Zeeman. Usamos um laser de diodo contrapropagante ao feixe atômico. Essa técnica se baseia na utilização de um campo magnético de perfil espacial parabólico para compensar o efeito Doppler e manter o átomo ressonante com o laser durante o processo de desaceleração. Conseguimos reduzir a velocidade dos átomos até C 940cm/s. Para medir essa velocidade usamos uma técnica simples, diferente da usual, que utiliza um feixe de prova. Com o nosso magneto, não foi possível desacelerar átomos com velocidade acima de 12000 cm/s. O limite de campo magnético em que tivemos que trabalhar corresponde à campo fraco, para o estado fundamental do Cs. Esse fato acarreta um aumento na probabilidade de ocorrerem transições erradas. Observamos a presença de um intervalo de \"detuning\" útil, fora do qual não conseguimos desacelerar. Esse intervalo também está relacionado com o limite máximo de velocidades para que haja desaceleração. Chegamos a esse intervalo através de simulações feitas para encontrar os parâmetros necessários à desaceleração. Os resultados obtidos experimentalmente estão de acordo com o que foi previsto pela simulação. Paralelamente à desaceleração de CS, preparamos os lasers de diodo e reduzimos sua largura de linha. Entretanto não usamos o laser estreito para a desaceleração. A fim de trabalharmos com espectroscopia de alta resolução reduzimos a largura de linha do laser a semicondutor fazendo um acoplamento da cavidade laser com uma cavidade, Fabry-Pérot, externa. Conseguimos estreitar a largura de linha até 500KHz. Esse resultado nos possibilitará investigar as linhas do Cs, aprisionado em um \"trap\" magnético-óptico, experimento este que já está em andamento em nosso laboratório / In this work for the first time, slow a beam of Cs by the Zeeman tuning technique. We use a laser diode contrapropagante the atomic beam. This technique is based on the use of a magnetic field of parabolic spatial profile to compensate for the Doppler effect and keep the atoms resonant with the laser during the downturn. We reduce the speed of C atoms to 940cm / s. To measure this speed we use a simple technique, different from the usual, which uses a beam of evidence. With our magnet, could not slow down atoms with speeds up to 12,000 cm / s. The limit of magnetic field we had to work corresponds to the weak field for the ground state of Cs. This fact implies an increase in the probability of transitions wrong. We observed a range of \"detuning\" useful, out of which we cannot slow down. This range is also related to the maximum speed for there to be slowing. We arrived in this range through simulations to find the parameters needed for deceleration. The results obtained experimentally are in agreement with what was predicted by the simulation. Parallel to the slowdown of CS, we prepared the diode lasers and reduced its line width. However do not use the laser close to the slowdown. In order to work with high-resolution spectroscopy reduced the line width of the semiconductor laser causing a coupling of the laser cavity with a cavity, Fabry-Pérot, external. We narrow the line width up to 500KHz. This result will enable us to investigate the lines of Cs, trapped in a \"trap\" magneto-optical experiment that is already underway in our laboratory

Nós apresentamos nessa tese uma nova formulação, para estudar colisão de pósitrons de baixa energia com moléculas, baseado no Método Multicanal de Schwinger (SMC), que foi anteriormente adaptado para espalhamento entre elétrons de baixa energia com moléculas. Nós preservamos algumas características que são importantes no SMC para elétrons, tais como: capacidade de lidar com espalhamento eletronicamente inelástico e aplicabilidade a alvos moleculares de geometria arbitrária. Nossa implementação também permite incluir um substancial número de canais eletronicamente fechados para representar os efeitos da polarização, que são muito importante em estudos de colisão a partículas incidente possue baixa energia. Como uma primenra aplicação, para ilustrar com a qual a polarização é representada nessa nova formulação, nós calculamos seções de choque diferenciais e integrais eláticas para colisões e+ - H2 e e+ - CH4.

Neste trabalho resultados experimentais inéditos da taxas de perdas para o sistema Cs-K em função da intensidade do laser de aprisionamento foram obtidos. A análise dos resultados foi auxiliada pelo modelo tipo Gallagher-Pritchard que demonstrou possuir uma dependência muito forte com a velocidade de escape. Um estudo complementar ajudou na determinação dos mecanismos causadores de perdas, a catálise óptica, onde o principal resultado foi a obtenção de um resultado teórico que corresponde a observação experimental para o sistema Na-Rb, onde as perdas foram associadas a atuação do estado duplamente excitado. Compreender os mecanismos causadores de perdas pode ajudar na construção de armadilhas magneto-ópticas de grande eficiência, importantes em experimentos de medidas de propriedades atômicas. / We have investigated trap loss rate as a function of trap laser intensity for the Cs-K system. A model based on Gallagher-Pritchard type considerations, allow understand the obtained results. To correctly interpret the data, we have proposed new mechanisms, which can be proven with recent experiment in Na-Rb system.

Neste trabalho reportamos a produção da primeira armadilha magneto-ótica que confina simultaneamente duas espécies atômicas distintas: Sódio e Potássio. Para podermos realizar este aprisionamento, foi necessário vencer algumas dificuldades técnicas que justificam, inclusive, a escolha dos elementos utilizados. Nossa armadilha também foi utilizada para realizar o primeiro estudo de colisões frias entre átomos de espécies diferentes. Experimentalmente, as informações sobre essas colisões são obtidas através da medida da dinâmica de perdas da armadilha de S6dio em presença e ausência de átomos frios de Potássio. Observamos que o efeito de colisões heteronucleares e dez vezes menor do que as homonucleares. Esta diferença já era esperada devido ao menor alcance dos potenciais de interação entre átomos no caso de espécies distintas. Nossos resultados são comparados a uma teoria semi-clássica simples e se encontram em bom acordo com as previsões. Introduzimos uma nova técnica que consiste em mudar repentinamente a intensidade do laser aprisionador e observar a variação do número de átomos aprisionados. Medimos a taxa de perdas por colisão entre átomos de Potássio frios como função da intensidade do laser aprisionador. Essa técnica nos permite alcançar o regime de baixas intensidades, inclusive abaixo da intensidade de saturação, sem as limitações da técnica tradicional. Aplicamos essa técnica ao aprisionamento simultâneo e medimos a taxa de perdas por colisão do sódio na presença e ausência de potássio. Com essa medida somos capazes de estimar a seção e choque entre sódio e potássio ambos no estado fundamental / In this thesis we report the production of the first magneto-optical trap that confines simultaneously two atomic species, sodium and potassium. In order to realize this experiment we had to overcome some technical difficulties that justified our choice of these two elements. This trap was used to study cold collisions between two different species. The information about these collisions is obtained experimentally from the dynamics of the sodium trap loss process in the presence and absence of potassium atoms. We observed that the heteronuclear effect is ten times smaller than the homonuclear one. This difference is explained by the smaller range of the interaction potentials between different species. Our results are compared with the theoretical predictions of the semi-classical theory and show a good agreement with the predictions. We have introduced a new technique which consists of a sudden decrease of the laser intensity, after which we observe the temporal variation in the number of trapped atoms. We have measured the loss rate coefficient between cold potassium atoms as a function of light intensity of the trapping laser. This technique allowed us to reach the very low intensity regime, as low as 30% of the saturation intensity, without compromising the loading process. We applied this technique to the simultaneous trapping and measured the loss rate coefficient between cold sodium atoms in the presence and absence of cold potassium atoms. With this measurement we can estimate the value of the cross section between sodium and potassium in the ground state