In the atomic, molecular, optical physics field, processes involving two photons are very well understood and used in applications ranging from spectroscopy to laser cooling technics. In this thesis is presented the study and experimental realization of two two-photon processes. Using sodium atoms trapped in a magnetic optical trap we could demonstrate two-photon cooperative absorption, and that the creation of a molecular bound state using only light fields, or photonic bound state, is possible. Two-photon cooperative absorption, very common in solid-state physics, is a process where a pair of atoms initially in the ground state is excited to the double excited state, via absorption of two photons with frequecy that is not ressonant with any excited state. Its experimental realization with cold atoms may open new and exciting possibilities to better understand nonlinear effects, and it is a new way to create correlated atoms and photons in cold atomic physics. This absorption was observed by ionization of the pair after the excitation. A simple model that considers only dipole-dipole interactions between the atoms allows us to understand the basic features observed in the experimental data. A photonic bound state uses two photons to create the two basic features of a molecular bound state: a repulsive part and an attractive part. A blue photon, blue detuned from the atomic transition, connects the ground state of the pair to the repulsive part of the first excited molecular state 1, and a red photon, red detuned from the atomic transition, connects the connects the ground state of the pair to the attractive part of the first excited molecular state. In the dressed state picture, when the light fields are strong, this three-states-two-photon system creates adiabatic bound potentials that are strongly dependent of the photon properties. Using a theoretical model we could study how this bound energies changes when we change the photon properties, and the experimental data shows that this photos are indeed dressing the potentials with a efficiency that would enable the creation of photonic molecules. / No campo da física atômica, molecular e ótica processos envolvendo dois fótons são bem compreendidos e usados em diversas aplicações. Nesta tese apresentamos o estudo e a realização experimental de dois processos de dois-fótons. Usando átomos de sódio aprisionados em uma armadilha magneto ótica, demonstramos a absorção cooperativa de dois fótons e que a criação de um estado ligado molecular usando somente campos de luz, ou estado ligado fotônico, é possível. Absorção cooperativa de dois fótons, um processo bem comum em física de estado sólido, acontece quando um par de átomos inicialmente no estado fundamental é excitado para o estado duplamente excitado, via absorção de dois fótons de frequência não ressonante com a dos estados excitado. A realização experimental deste processo em um sistema de átomos frios pode abrir novas, e excitantes possibilidades para entender melhor processos não lineares, e é um novo método de criar átomos e fótons correlacionados. Essa absorção foi observada através da ionização do par depois da absorção, e um modelo simples que considera somente interação dipolo-dipolo entre os dois átomos nós ajuda entender as características básicas dos dados obtidos. Um estado ligado fotônico usa dois fótons para criar as duas características básicas dos estados ligados moleculares: a parte repulsiva e a parte atrativa. Um fóton azul, deslocado para o azul da transição atômica, conecta o estado fundamental do par a parte repulsiva do primeiro estado excitado molecular 1, e um fóton vermelho, deslocado para o vermelho da transição atômica, conecta o estado fundamental a parte atrativa do deslocado para o azul da transição atômica. No contexto de estados vestidos, quando os campos de luz são intensos, esse sistema de três estados e dois fótons cria potenciais ligantes adiabáticos que são fortemente dependentes das propriedades desses fótons. Usando um modelo teórico para esses potenciais pudemos estudar como é essa dependência, com as características do fótons, e os dados experimentais mostram que esses fótons estão de fato vestindo os estados com uma eficiência que viabiliza a criação de moléculas fotônicas.

Neste trabalho descrevemos a produção e estudo de excitações topológicas em um condensado de Bose-Einstein em átomos de Rubídio-87. O condensado é produzido através de resfriamento evaporativo forçado por rádio-freqüência em uma armadilha puramente magnética do tipo QUIC. A armadilha magnética é carregada por um sistema de duplo-MOT. A temperatura de transição é de cerca de 150nK. Condensados puros com 1 - 2 × 10^5 átomos de Rb-87 são observados. Realizamos uma caracterização da amostra em relação às suas características fundamentais. Fração condensada, expansão anisotrópica, distribuição espacial e efeitos de temperatura finita são descritos. Com o objetivo de observar excitações coerentes do condensado entre os estados da armadilha, adicionamos um campo magnético do tipo quadrupolo esférico oscilante no tempo. Observamos, no entanto, a transferência de momento angular para a amostra com a formação de vórtices e arranjos de vórtices. Definimos regiões de amplitude que geram números de vórtices crescentes. Observamos a formação de estruturas de três vórtices não convencionais donde supusemos a possibilidade de excitação conjunta de vórtices e anti-vórtices. Observamos evidência de turbulência quântica, um estado onde os arranjos dos vórtices não são regulares nem as linhas de vórtices têm um eixo de rotação comum. / In this work we describe the production and investigation of topological excitations in a Bose-Einstein condensate in Rubidium-87 atoms. The condensate is produced through forced evaporative cooling by radio-frequency in a QUIC-type purely magnetic trap. The magnetic trap is loaded from a double-MOT system. Transition temperature is about 150nK. Pure condensates containing 1-2×105 87Rb atoms are observed. We performed the characterization of the sample in relation to its fundamental aspects. Condensed fraction, anisotropic expansion, spacial distribution and finite temperature effects are described. Aiming to observe coherent topological excitations of the condensate between two states of the trap, we added a spherical quadrupole magnetic fields oscillating in time. We observe, instead, angular momentum tranference to the sample and the formation of vortices and arrays of vortices. We define amplitude regions where an increasing number of vortices are observed. We observe the formation of non-usual three-vortex structures from which we infer the existence of vortices and anti-vortices together in the sample. We observe evidence of quantum turbulence, a state where non-regular vortex arrays appear as well as vortex lines have no preferred direction to form.

Usando a técnica de resfriamento evaporativo para átomos comprimidos numa armadilha magnética tipo QUIC, implementamos experimentos para observar Condensação de Bose-Einstein de átomos de sódio. Nessa armadilha magnética temos átomos advindos de uma armadilha magneto-óptica, a qual é carregada por um feixe desacelerado como etapa de pré-resfriamento. Nossas medidas foram baseadas em imagens de absorção fora de ressonância de um feixe de prova pela amostra atômica. Essas imagens foram feitas in situ, ou seja, na presença do campo da armadilha magnética, pelo fato do número de átomos ser baixo e a técnica de tempo de vôo não ser adequada a essa situação. Baseado no perfil de densidade e na temperatura medidos, calculamos a densidade de pico no espaço de fase D, a qual é seguida nas várias etapas de evaporação. Nossos resultados mostram que para uma freqüência final de evaporação de 1,65 MHz nós superamos o valor esperado para D (2,612) alcançar o ponto crítico, no centro da amostra, para obter a condensação. Devido ao baixo número de átomos restantes no potencial, a interação não produz efeitos consideráveis e dessa forma um modelo de gás ideal permite justificar essa observação. / Using a system composed of a QUIC trap loaded from a slowed atomic beam, we have performed experiments to observe the Bose-Einstein Condensation of Na atoms. In order to obtain the atomic distribution in the trap, we use an in situ out of resonance absorption image of a probe beam to determine the temperature and the density, which are use to calculate the phase space D. We have followed D as a function of the final evaporation frequency. The results show that at 1.65 MHz we crossed the critical value for D which corresponds to the point to start Bose-Condensation of the sample. Due to the low number of atoms remaining in the trap at the critical point, the interaction produce minor effects and therefore an ideal gas model explains well the observations.

Neste trabalho, determinamos a constante de taxa de formação molecular para a molécula Rb2, e observamos o comportamento desta constante de taxa como função da intensidade e da freqüência da luz responsável pelo processo de fotoassociação. Nesse sentido, realizamos uma série de experimentos com o intuito de alcançarmos um melhor entendimento sobre o processo de formação molecular e detecção. Neste trabalho aprisionamos os átomos em duas configurações geométricas espaciais diferentes, na forma esférica e na forma de anel. Com os átomos confinados na configuração de anel, desenvolvemos uma nova técnica para o estudo de processos colisionais ultrafrios, onde a existência de eixo preferencial de colisão faz com os átomos aprisionados no anel se comportem com um mini-feixe atômico ultrafrio. / We present a systematic study of the Rb2 molecular dimmers formed in a MOT. We start with the determination of the molecular formation rate constant and have studied it\'s as function of the laser intensity and frequency used in the photoassociation process. The results provided more insights to help the understanding in the molecular formation process We have also probed samples in which the cold atoms were trapped by different geometries with and without a preferential collision axis: spherical/ring shaped MOTs. It was observed that the atoms in the ring shaped MOT present special features due to the collisional axis. This means that they behave like a miniature atomic beam which can be used in many other future experiments.

In this thesis, we investigate the coherent scattering of light by atoms randomly distributed in space. As described by a model of coupled dipoles, the cooperation in the spontaneous emission process results from purely optical interactions between the atomic internal degrees of freedom. In the optically dilute regime, where the atomic medium can be described by a refractive index, we have shown that light can be deflected with the application of a gradient of magnetic field. In the dense regime, short-range interactions appear to suppress Anderson localization of light even in two dimensions, a result which disassembles the common belief that all waves are localized in two dimensions. We also find that the fringe pattern, resulting from the interference between light scattered by an atomic cloud and that of its specular image, is robust to both disorder averaging and saturation. Finally, we demonstrate two-atom bound states in the two-dimensional motion through the long-range optical coupling. This optical binding effect with an atom pair will be important to investigate the all-optical stabilization of large clouds. / Nesta tese, investigamos o espalhamento coerente de luz por átomos distribuídos aleatoriamente no espaço. Conforme descrito por um modelo de dipolos acoplados, a cooperação no processo de emissão espontânea resulta de interações puramente ópticas entre os graus internos de liberdade dos átomos. No regime opticamente diluído, onde o meio atômico pode ser descrito por um índice de refração, mostramos que a luz pode ser desviada com a aplicação de um gradiente de campo magnético. No regime denso, as interações de curto alcance parecem suprimir a localização de Anderson da luz mesmo em duas dimensões, resultado que desmonta a crença comum de que todas as ondas estão localizadas em duas dimensões. Também descobrimos que o padrão de franjas, resultante da interferência entre a luz espalhada por uma nuvem atômica e a de sua imagem especular, é robusto tanto contra a média em disordem quanto contra saturação. Finalmente, demonstramos estados ligados de dois átomos no movimento bidimensional através do acoplamento óptico de longo alcance. Este optical binding effect com um par de átomos será importante para investigar a estabilização totalmente óptica de nuvens extensas.

Usando a técnica de resfriamento evaporativo para átomos comprimidos numa armadilha magnética tipo QUIC, implementamos experimentos para observar Condensação de Bose-Einstein de átomos de sódio. Nessa armadilha magnética temos átomos advindos de uma armadilha magneto-óptica, a qual é carregada por um feixe desacelerado como etapa de pré-resfriamento. Nossas medidas foram baseadas em imagens de absorção fora de ressonância de um feixe de prova pela amostra atômica. Essas imagens foram feitas in situ, ou seja, na presença do campo da armadilha magnética, pelo fato do número de átomos ser baixo e a técnica de tempo de vôo não ser adequada a essa situação. Baseado no perfil de densidade e na temperatura medidos, calculamos a densidade de pico no espaço de fase D, a qual é seguida nas várias etapas de evaporação. Nossos resultados mostram que para uma freqüência final de evaporação de 1,65 MHz nós superamos o valor esperado para D (2,612) alcançar o ponto crítico, no centro da amostra, para obter a condensação. Devido ao baixo número de átomos restantes no potencial, a interação não produz efeitos consideráveis e dessa forma um modelo de gás ideal permite justificar essa observação. / Using a system composed of a QUIC trap loaded from a slowed atomic beam, we have performed experiments to observe the Bose-Einstein Condensation of Na atoms. In order to obtain the atomic distribution in the trap, we use an in situ out of resonance absorption image of a probe beam to determine the temperature and the density, which are use to calculate the phase space D. We have followed D as a function of the final evaporation frequency. The results show that at 1.65 MHz we crossed the critical value for D which corresponds to the point to start Bose-Condensation of the sample. Due to the low number of atoms remaining in the trap at the critical point, the interaction produce minor effects and therefore an ideal gas model explains well the observations.

Tendo por objetivo principal a implementação de um laboratório de pesquisa em tempo e freqüência, tomamos como primeiro alvo a ser alcançado a realização da definição primária do segundo, conforme estabelecido pelo BIPM, baseado no átomo de 133CS. Seguindo os passos nessa linha de pesquisa, o laboratório construiu um primeiro padrão baseado em feixe efusivo e operado opticamente. Atualmente, os sistemas com maior capacidade de determinação do segundo são os padrões de átomos frios, denominados chafarizes, dado o seu esquema de funcionamento. O objetivo principal desse trabalho foi o desenvolvimento de um padrão de tempo e freqüência baseado em um sistema de átomos frios, passando por todas as fases de sua implementação. Tais fases dizem respeito à construção de sistemas de controle de lasers de diodo, síntese de freqüências, avaliação de sinais de tempo e freqüência e controle e aquisição dos sinais de interrogação atômica. Adicionada a isso a necessidade de estabelecer um ambiente próprio ao desenvolvimento de tal experimento. Os resultados observados até aqui permitem que sejam estabelecidas novas metas, em busca do refinamento desse padrão. Além disso, os tipos de sistemas abordados são passíveis de utilização no desenvolvimento de outros padrões, tanto primários como secundários, sendo requisitos fundamentais no estabelecimento de metrologia científica de tempo e freqüência. / Having as a main goal the implementation of a research laboratory in time and frequency, we set the first target to be reached the realization of the primary definition of the second, as stated by BIPM, based on the 133CS atom. Following the steps in this research line our laboratory constructed a first standard based on an effusive beam optically operated. Nowadays, the most capable systems in the determination of the second are the cold atoms standards, called fountains, due to their operation mode. The main subject of this thesis is the development of a time and frequency standard based in cold atoms doing all the steps to implement it. These steps concern to the construction of diode lasers control systems, frequency synthesis, time and frequency signal characterization and atomic interrogation signal acquisition, added the need to the establishment of an appropriate environment to develop such experiment. The observed results until now allowed the determination of the new goals in the search of the standard refinement. Moreover, the kind of systems described here can be used in the development of other standards, either primary or secondary, being fundamental requisites in the establishment of time and frequency scientific metrology.

In this thesis, we investigate the coherent scattering of light by atoms randomly distributed in space. As described by a model of coupled dipoles, the cooperation in the spontaneous emission process results from purely optical interactions between the atomic internal degrees of freedom. In the optically dilute regime, where the atomic medium can be described by a refractive index, we have shown that light can be deflected with the application of a gradient of magnetic field. In the dense regime, short-range interactions appear to suppress Anderson localization of light even in two dimensions, a result which disassembles the common belief that all waves are localized in two dimensions. We also find that the fringe pattern, resulting from the interference between light scattered by an atomic cloud and that of its specular image, is robust to both disorder averaging and saturation. Finally, we demonstrate two-atom bound states in the two-dimensional motion through the long-range optical coupling. This optical binding effect with an atom pair will be important to investigate the all-optical stabilization of large clouds. / Nesta tese, investigamos o espalhamento coerente de luz por átomos distribuídos aleatoriamente no espaço. Conforme descrito por um modelo de dipolos acoplados, a cooperação no processo de emissão espontânea resulta de interações puramente ópticas entre os graus internos de liberdade dos átomos. No regime opticamente diluído, onde o meio atômico pode ser descrito por um índice de refração, mostramos que a luz pode ser desviada com a aplicação de um gradiente de campo magnético. No regime denso, as interações de curto alcance parecem suprimir a localização de Anderson da luz mesmo em duas dimensões, resultado que desmonta a crença comum de que todas as ondas estão localizadas em duas dimensões. Também descobrimos que o padrão de franjas, resultante da interferência entre a luz espalhada por uma nuvem atômica e a de sua imagem especular, é robusto tanto contra a média em disordem quanto contra saturação. Finalmente, demonstramos estados ligados de dois átomos no movimento bidimensional através do acoplamento óptico de longo alcance. Este optical binding effect com um par de átomos será importante para investigar a estabilização totalmente óptica de nuvens extensas.

Neste trabalho, determinamos a constante de taxa de formação molecular para a molécula Rb2, e observamos o comportamento desta constante de taxa como função da intensidade e da freqüência da luz responsável pelo processo de fotoassociação. Nesse sentido, realizamos uma série de experimentos com o intuito de alcançarmos um melhor entendimento sobre o processo de formação molecular e detecção. Neste trabalho aprisionamos os átomos em duas configurações geométricas espaciais diferentes, na forma esférica e na forma de anel. Com os átomos confinados na configuração de anel, desenvolvemos uma nova técnica para o estudo de processos colisionais ultrafrios, onde a existência de eixo preferencial de colisão faz com os átomos aprisionados no anel se comportem com um mini-feixe atômico ultrafrio. / We present a systematic study of the Rb2 molecular dimmers formed in a MOT. We start with the determination of the molecular formation rate constant and have studied it\'s as function of the laser intensity and frequency used in the photoassociation process. The results provided more insights to help the understanding in the molecular formation process We have also probed samples in which the cold atoms were trapped by different geometries with and without a preferential collision axis: spherical/ring shaped MOTs. It was observed that the atoms in the ring shaped MOT present special features due to the collisional axis. This means that they behave like a miniature atomic beam which can be used in many other future experiments.

In the atomic, molecular, optical physics field, processes involving two photons are very well understood and used in applications ranging from spectroscopy to laser cooling technics. In this thesis is presented the study and experimental realization of two two-photon processes. Using sodium atoms trapped in a magnetic optical trap we could demonstrate two-photon cooperative absorption, and that the creation of a molecular bound state using only light fields, or photonic bound state, is possible. Two-photon cooperative absorption, very common in solid-state physics, is a process where a pair of atoms initially in the ground state is excited to the double excited state, via absorption of two photons with frequecy that is not ressonant with any excited state. Its experimental realization with cold atoms may open new and exciting possibilities to better understand nonlinear effects, and it is a new way to create correlated atoms and photons in cold atomic physics. This absorption was observed by ionization of the pair after the excitation. A simple model that considers only dipole-dipole interactions between the atoms allows us to understand the basic features observed in the experimental data. A photonic bound state uses two photons to create the two basic features of a molecular bound state: a repulsive part and an attractive part. A blue photon, blue detuned from the atomic transition, connects the ground state of the pair to the repulsive part of the first excited molecular state 1, and a red photon, red detuned from the atomic transition, connects the connects the ground state of the pair to the attractive part of the first excited molecular state. In the dressed state picture, when the light fields are strong, this three-states-two-photon system creates adiabatic bound potentials that are strongly dependent of the photon properties. Using a theoretical model we could study how this bound energies changes when we change the photon properties, and the experimental data shows that this photos are indeed dressing the potentials with a efficiency that would enable the creation of photonic molecules. / No campo da física atômica, molecular e ótica processos envolvendo dois fótons são bem compreendidos e usados em diversas aplicações. Nesta tese apresentamos o estudo e a realização experimental de dois processos de dois-fótons. Usando átomos de sódio aprisionados em uma armadilha magneto ótica, demonstramos a absorção cooperativa de dois fótons e que a criação de um estado ligado molecular usando somente campos de luz, ou estado ligado fotônico, é possível. Absorção cooperativa de dois fótons, um processo bem comum em física de estado sólido, acontece quando um par de átomos inicialmente no estado fundamental é excitado para o estado duplamente excitado, via absorção de dois fótons de frequência não ressonante com a dos estados excitado. A realização experimental deste processo em um sistema de átomos frios pode abrir novas, e excitantes possibilidades para entender melhor processos não lineares, e é um novo método de criar átomos e fótons correlacionados. Essa absorção foi observada através da ionização do par depois da absorção, e um modelo simples que considera somente interação dipolo-dipolo entre os dois átomos nós ajuda entender as características básicas dos dados obtidos. Um estado ligado fotônico usa dois fótons para criar as duas características básicas dos estados ligados moleculares: a parte repulsiva e a parte atrativa. Um fóton azul, deslocado para o azul da transição atômica, conecta o estado fundamental do par a parte repulsiva do primeiro estado excitado molecular 1, e um fóton vermelho, deslocado para o vermelho da transição atômica, conecta o estado fundamental a parte atrativa do deslocado para o azul da transição atômica. No contexto de estados vestidos, quando os campos de luz são intensos, esse sistema de três estados e dois fótons cria potenciais ligantes adiabáticos que são fortemente dependentes das propriedades desses fótons. Usando um modelo teórico para esses potenciais pudemos estudar como é essa dependência, com as características do fótons, e os dados experimentais mostram que esses fótons estão de fato vestindo os estados com uma eficiência que viabiliza a criação de moléculas fotônicas.