Este trabalho visa o estudo de colisões atômicas mediadas por fótons. Devido à presença da luz ressonante consideramos em nosso sistema os processos de excitação e decaimento atômicos. Em particular, o decaimento atômico tem sua importância no estudo das armadilhas magneto-ópticas, pois este decaimento poder ser um dos fatores que limita a permanência dos átomos confinados neste tipo de armadilha. Apresentaremos uma formulação inédita para a resolução numérica das equações de populações e coerências que descrevem o processo colisional para um par atômico de átomos de dois níveis. Nesta formulação, não utilizamos aproximação, com isso foi possível também, neste trabalho, checarmos a validade da teoria semi-clássica, uma vez que esta é elaborada por um método aproximativo. Comparando nossa formulação, ao qual batizamos de formalismo quântico, com o formalismo semi-clássico, verificamos que a validade deste último restringe-se quando atribuímos determinados valores para o momentum e largura do pacote de ondas, associado à partícula reduzida. Baseado nas redes-ópticas, apresentaremos também um modelo de experimento que possibilite a preparação de um estado inicial para dois átomos colidentes na presença de um feixe laser de prova. Um outro estudo consiste em verificarmos a existência de um potencial efetivo que possibilite descrever o mesmo resultado, assintoticamente, utilizando os formalismos quântico e o Liouvilliano clássico / We study atomic collisions mediated by photons. Due to the presence of remnant light, we consider atomic decay and excitation processes. In particular, the atomic decay is important to the study of magneto-optical traps, because this process is one of the factors limiting the time of atomic confinement in these devices. We present a new formulation to solve numerically the equations describing the populations and coherences involved in the collision process of a pair of two-level atoms. This is a numerically exact approach; hence we have been able to check the semi-classical results. We verify that the validity of this approximation is restricted to certain ranges of momentum and wave-packet width, both associated with the reduced particle. Based on current optical-lattice technology, we also present a thought experiment in which it is possible to prepare an initial state of the two colliding atoms in the presence of a probe laser beam. Another study concerns the verification of the existent of an effective potential which gives the correct asymptotic quantum collision output in a classical Liouvillian framework

Este trabalho visa o estudo de colisões atômicas mediadas por fótons. Devido à presença da luz ressonante consideramos em nosso sistema os processos de excitação e decaimento atômicos. Em particular, o decaimento atômico tem sua importância no estudo das armadilhas magneto-ópticas, pois este decaimento poder ser um dos fatores que limita a permanência dos átomos confinados neste tipo de armadilha. Apresentaremos uma formulação inédita para a resolução numérica das equações de populações e coerências que descrevem o processo colisional para um par atômico de átomos de dois níveis. Nesta formulação, não utilizamos aproximação, com isso foi possível também, neste trabalho, checarmos a validade da teoria semi-clássica, uma vez que esta é elaborada por um método aproximativo. Comparando nossa formulação, ao qual batizamos de formalismo quântico, com o formalismo semi-clássico, verificamos que a validade deste último restringe-se quando atribuímos determinados valores para o momentum e largura do pacote de ondas, associado à partícula reduzida. Baseado nas redes-ópticas, apresentaremos também um modelo de experimento que possibilite a preparação de um estado inicial para dois átomos colidentes na presença de um feixe laser de prova. Um outro estudo consiste em verificarmos a existência de um potencial efetivo que possibilite descrever o mesmo resultado, assintoticamente, utilizando os formalismos quântico e o Liouvilliano clássico / We study atomic collisions mediated by photons. Due to the presence of remnant light, we consider atomic decay and excitation processes. In particular, the atomic decay is important to the study of magneto-optical traps, because this process is one of the factors limiting the time of atomic confinement in these devices. We present a new formulation to solve numerically the equations describing the populations and coherences involved in the collision process of a pair of two-level atoms. This is a numerically exact approach; hence we have been able to check the semi-classical results. We verify that the validity of this approximation is restricted to certain ranges of momentum and wave-packet width, both associated with the reduced particle. Based on current optical-lattice technology, we also present a thought experiment in which it is possible to prepare an initial state of the two colliding atoms in the presence of a probe laser beam. Another study concerns the verification of the existent of an effective potential which gives the correct asymptotic quantum collision output in a classical Liouvillian framework

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.

Neste trabalho implementamos um programa computacional capaz de descrever passo-a-passo o processo de colisão entre dois átomos confinados numa armadilha magneto-óptica em regime frio. Para isso utilizamos o formalismo de Wigner, que é uma formulação equivalente à mecânica quântica, para encontrar-mos uma aproximação quase-clássica para as equações que descrevem o sistema. Este formalismo permite-nos separar os graus de liberdade externos dos átomos colidentes, que podem ser tratados de maneira quase-clássica, dos graus internos de liberdade, os quais não tem contraparte clássica e, portanto, são tratados quanticamente / In this work we implement a computer program that describes, step by step, the collision process between two atoms confined in a magneto-optical trap in the cold regime. Here we utilize the Wigner-function theory, which is a formulation of quantum mechanics in terms of a phase space, to find a quasi-classical approx¬imation of the dynamical equations that govern the time evolution of the system. This approach allows us to describe the dynamics in terms of external and internal degrees of freedom. The former degrees of freedom are treated quasi-classically, while the latter, because they do not have a classical counterpart, are treated quan¬tum mechanically

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.

Neste trabalho, apresentamos uma montagem experimental capaz de aprisionar átomos de K e Rb simultaneamente em uma armadilha óptica de dipolo cruzada. Contudo, para atingir este feito foi necessário, durante o desenvolvimento do projeto, estudar cada espécie atômica de forma isolada. Assim, desenvolvemos uma técnica inédita para carregar uma armadilha de dipolo diretamente de uma armadilha magneto-óptica de 39K, constatando a importância da estrutura hiperfina do estado 4P3/2 no processo de carregamento. Também observamos e explicamos o processo de fotoassociação de Rb devido ao laser em 1071 nm, inclusive a diferença isotópica entre 85Rb e 87Rb. Na sequência, realizamos o carregamento duplo com K e Rb na armadilha e observamos a fotoassociação de KRb. Um modelo teórico simples prevê a distribuição dos níveis vibracionais obtidos. O mesmo modelo abre caminho para um possível bombeamento óptico para a produção e acúmulo de moléculas de KRb no estado X1Σ+ (v = 0). / In this paper, we present an experimental setup to simultaneously trap atoms of K and Rb in a crossed optical dipole trap. This accomplishment required the individual study of each atomic species during the project development. This allowed the development of a new technique for loading a dipole trap directly from a magneto-optical trap of 39K, providing evidence of the importance of the hyperfine structure of the state 4P3/2 in the loading process. We also observe and explain the photoassociation process of Rb2 due to the dipole trap laser at 1071 nm, including an isotopic difference between 85Rb and 87Rb. In the sequence, we performed dual species loading of K and Rb and observed the photoassociation process of KRb. A simple theoretical model predicts the final distribution of vibrational levels obtained. The same model provides a potential path to optically pump the molecules and accumulate them in the molecular ground state X1Σ+ (v = 0) for KRb.

Neste trabalho implementamos um programa computacional capaz de descrever passo-a-passo o processo de colisão entre dois átomos confinados numa armadilha magneto-óptica em regime frio. Para isso utilizamos o formalismo de Wigner, que é uma formulação equivalente à mecânica quântica, para encontrar-mos uma aproximação quase-clássica para as equações que descrevem o sistema. Este formalismo permite-nos separar os graus de liberdade externos dos átomos colidentes, que podem ser tratados de maneira quase-clássica, dos graus internos de liberdade, os quais não tem contraparte clássica e, portanto, são tratados quanticamente / In this work we implement a computer program that describes, step by step, the collision process between two atoms confined in a magneto-optical trap in the cold regime. Here we utilize the Wigner-function theory, which is a formulation of quantum mechanics in terms of a phase space, to find a quasi-classical approx¬imation of the dynamical equations that govern the time evolution of the system. This approach allows us to describe the dynamics in terms of external and internal degrees of freedom. The former degrees of freedom are treated quasi-classically, while the latter, because they do not have a classical counterpart, are treated quan¬tum mechanically

Neste trabalho, apresentamos uma montagem experimental capaz de aprisionar átomos de K e Rb simultaneamente em uma armadilha óptica de dipolo cruzada. Contudo, para atingir este feito foi necessário, durante o desenvolvimento do projeto, estudar cada espécie atômica de forma isolada. Assim, desenvolvemos uma técnica inédita para carregar uma armadilha de dipolo diretamente de uma armadilha magneto-óptica de 39K, constatando a importância da estrutura hiperfina do estado 4P3/2 no processo de carregamento. Também observamos e explicamos o processo de fotoassociação de Rb devido ao laser em 1071 nm, inclusive a diferença isotópica entre 85Rb e 87Rb. Na sequência, realizamos o carregamento duplo com K e Rb na armadilha e observamos a fotoassociação de KRb. Um modelo teórico simples prevê a distribuição dos níveis vibracionais obtidos. O mesmo modelo abre caminho para um possível bombeamento óptico para a produção e acúmulo de moléculas de KRb no estado X1Σ+ (v = 0). / In this paper, we present an experimental setup to simultaneously trap atoms of K and Rb in a crossed optical dipole trap. This accomplishment required the individual study of each atomic species during the project development. This allowed the development of a new technique for loading a dipole trap directly from a magneto-optical trap of 39K, providing evidence of the importance of the hyperfine structure of the state 4P3/2 in the loading process. We also observe and explain the photoassociation process of Rb2 due to the dipole trap laser at 1071 nm, including an isotopic difference between 85Rb and 87Rb. In the sequence, we performed dual species loading of K and Rb and observed the photoassociation process of KRb. A simple theoretical model predicts the final distribution of vibrational levels obtained. The same model provides a potential path to optically pump the molecules and accumulate them in the molecular ground state X1Σ+ (v = 0) for KRb.

Neste trabalho apresentamos a construção de um novo sistema experimental para aprisionamento de átomos e moléculas. Trata-se de uma armadilha de dipolo cruzada totalmente óptica, formada por um laser de fibra com 40 W de potência com comprimento de onda em 1064 nm. Nesse sistema foi demonstrado o aprisionamento de átomos Rb e K e moléculas Rb2. Realizamos dois experimentos distintos neste se novo sistema: No primeiro, estudamos a evolução temporal de amostras dos isótopos 85Rb e 87Rb na armadilha de dipolo cruzada. Pudemos medir pela primeira vez o processo de mudança de estrutura hiperfina em átomos sem a presença de luz ressonante, e observamos a fotoassociação dos átomos pelo laser da armadilha de dipolo. E no segundo, desenvolvemos uma técnica que permite o estudo rápido e direto do decaimento no número de moléculas de Rb2 na armadilha. Com essa técnica, observamos também o comportamento dessas moléculas na presença de átomos preparados em um determinado estado hiperfino do estado fundamental. Estes resultados juntamente com um desenvolvimento teórico, nos sugerem novas perspectivas rumo a produção de um sistema que possa produzir e aprisionar moléculas KRb no estado fundamental 1Σ+ (v = 0). / In this work, we present the construction of a new experimental system for trapping atoms and molecules. It is an all optical crossed dipole trap, formed by a fiber laser with 40 W of power at 1064 nm. In this system, we have trapped K and Rb atoms as well as Rb2 molecules. We have carried out two experiments in this new system. In the first, we studied the temporal evolution of atomic samples of different isotopes, 85Rb and 87Rb, in the crossed trap dipole. We were able to measure for the first time the hyperfine-changing collisions of atoms in the absence of resonant light, and we have observed photoassociation of atoms by the dipole trap laser beam. In the other experiment, we have developed a technique that allows us to study the trapped molecule population decay in the trap. It was also observed the molecule population decay in the presence of atoms prepared in a given hyperfine state of the ground state. These results together with a theoretical development may suggest us new perspectives towards the production of a system that can produce and trap KRb molecules in the ground state 1Σ+ (v = 0).

Neste trabalho, estudamos a fotoassociação de átomos de rubídio no regime de curto alcance. Realizamos espectroscopia por perda de átomos em uma armadilha magneto-óptica de 85Rb usando um laser de fibra de alta potência, o qual possuia largura de linha da ordem de 1MHz e 50W de potência no intervalo de 1060nm a 1070nm. Dois níveis vibracionais do potencial excitado 0u+ foram observados (v=137 e v=138). Além disso, medimos o tempo de vida de uma armadilha óptica de dipolo cruzada. Como esperado, o tempo de vida é menor quando o laser está sintonizado na ressonância. Um modelo teórico prevê a distribuição dessas moléculas nos níveis vibracionais do estado eletrônico fundamental após o processo de fotoassociação. Os resultados, nos sugerem perspectivas para a produção de moléculas de Rb2 no estado vibracional fundamental. / In this work, we studied short-range photoassociation of rubidium atoms. We realize trap-loss spectroscopy in a magneto-optical trap of 85Rb using high power fiber laser, which had around 1MHz linewidth and 50W power at 1060nm to 1070nm interval. Two vibrational levels of the 0u+ excited potential were observed (v=137 e v=138). Besides that, we measured the lifetime of a crossed optical dipole trapped. As expected, the lifetime is shorter when the laser is tuned on resonance. A theoretical model predicts the molecular distribution in the vibrational levels of electronic ground state. The results suggest us perspectives to produce Rb2 molecules in the ground vibrational state.