O principal objetivo deste trabalho e investigar teoricamente a variação de uma possível distribuição espacial para átomos de sódio confinados em uma armadilha magneto-ótica, quando os feixes laser aprisionantes nas direções x e y acham-se desalinhados formando um caminho fechado. Utilizamos um tratamento bastante simplificado, baseado em simulação numérica, no qual estes átomos são considerados como sistemas de dois níveis, observando estruturas em forma de anéis sem a necessidade de levar em conta efeitos coletivos. Este fato confirma os resultados experimentais obtidos por nosso grupo, onde os raios destas estruturas são independentes do número de átomos aprisionados. As simulações mostram efeitos de desbalanço de intensidade, falta de paralelismo e outros na distribuição em anel formada pelos átomos. / The main objective of this work is to investigate theoretically the variations in a possible spatial distribution for sodium atoms confined in a magneto-optical trap when the laser beams in the x and y directions are misaligned in a closed-path configuration. We employ a simplified approach, based on numerical simulation, in which these atoms are considered as two-level systems, predicting the existence of ring-shaped structures without the necessity of taking into account collective effects. This fact confirms the experimental results obtained by our group, where the radii of these structures are independent of the number of trapped atoms. These simulations also exhibit effects due to intensity imbalance and lack of parallelism of the trapping beams, as well as other effects, which influence the ring-shaped distributions of the atoms.

Neste trabalho elaboramos estudos teóricos sobre colisões frias mediadas por fótons em armadilhas magnéto-ópticas. Para isto implementamos algorítimos numéricos de alto desempenho para o cálculo das formas de linha do espectro de fotoassociação do 88Sr. O principal algorítimo utilizado foi o de Numerov renormalizado. Também foram implementados sistemas de construção dos elementos da matriz hamiltoniana para estudos de colisões atômicas levando em consideração a estrutura fina dos potenciais de interação. Por último introduzimos o método de Monte Carlo de Integrais sobre Trajetórias como ferramenta para o estudo da termodinâmica do condensado de Bose-Einstein em armadilhas 2D considerando a interação entre os átomos / In this work we present theoretical studies of cold collisions mediated by photons in magneto-optical traps. We have implemented high-performance numerical algorithms to calculate the photoassociation spectral line shapes of 88Sr. We have mainly utilized the renormalized Numerov algorithm. We have also implemented schemes to write down the Hamiltonian matrix elements to study atomic collisions taking into account the fine structure of the interaction potentials. Finally, we have introduced the Path Integral Monte Carlo method as a tool for studying the thermodynamics of the Bose-Einstein condensate in two-dimensional traps, considering the binary atomic interactions

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.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-06-08T15:48:18Z No. of bitstreams: 1 tiagomendesrodrigues.pdf: 26298830 bytes, checksum: e08297ee7d81cba04e862c003211e4ad (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-06-26T19:06:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tiagomendesrodrigues.pdf: 26298830 bytes, checksum: e08297ee7d81cba04e862c003211e4ad (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-26T19:06:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tiagomendesrodrigues.pdf: 26298830 bytes, checksum: e08297ee7d81cba04e862c003211e4ad (MD5) Previous issue date: 2012-07-02 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A construção de um acelerador de baixa energia no Departamento de Física da Universidade Federal de Juiz de Fora tem como objetivo estabelecer neste departamento uma linha de pesquisa experimental em Colisões Atômicas e Física de Superfície, ampliando o espectro de investigação teórico e experimental pois possibilitará a implantação de técnicas de análise de superfície por impacto de íons e estudo de colisões íon/átomo/molécula através da espectroscopia de massa. Uma máquina como esta é composta basicamente de uma fonte de íons, um estágio de aceleração e outro estágio de focalização do feixe. Durante esses estágios, os íons são submetidos a diferentes potenciais, que os acelera em direção à câmara de detecção, passando por um conjunto de lentes eletrostáticas para focalizar o feixe, otimizando o número de íons que são detectados. Estes íons detectados serão posteriormente utilizados em estudos de seções de choque e análise de superfícies. / The construction of a low energy particle accelerator at the Physics Department of Federal University of Juiz de Fora has the aim of establishing at this department an experimental research line on atomic collisions and surface physics, increasing the theoretical and experimental investigation spectrum because it will enable the implantation of techniques in analysis of surface by impact of ions and the ion/atom/molecule study through mass spectroscopy. A machine like this one is basically composed by an ion source, an acceleration stage and another stage of beam focusing. During these stages, the ions are subjected to different potentials, that accelerates them towards the detection chamber, through a set of electrostatic lenses to focus the beam, optimizing the number of ions that are detected. These detected ions will be later used in studies of cross-sections and surface analysis studies.

A cold atomic cloud is a versatile object, because it offers many handles to control and tune its properties. This facilitates studies of its behavior in various circumstances, such as sample temperature, size and density, composition, dimensionality and coherence time. The range of possible experiments is constrained by the specifications of the atomic species used. In this thesis presents the work done in the experiment for laser cooling of strontium atoms, focusing on its stability, which should provide cold and ultracold samples for the study of collective effects in light scattering. From the initial apparatus, innumerous changes were performed. The vacuum system got improved and now reached lower ultra high vacuum due to the pre-baking done to its parts and adding a titanium-sublimation stage. The quadrupole trap were improved by the design and construction of a new pair of coils. The stability of the blue, green and red laser systems and the loss prevention of laser light were improved, giving rise to a robust apparatus. Another important point is the development of homemade devices to reduce the costs and to be used as a monitor of different parts of an cold atoms experiment. From this homemade devices, we could demonstrate a dramatic linewidth narrowing by injection lock of an low cost 461 nm diode laser and its application to our strontium experiment. In the end, this improved experimental apparatus made possible the study of a new scattering effect, the mirror assisted coherent back-scattering (mCBS). / Uma nuvem atômica fria é um objeto versátil porque oferece muitas formas de controlar e ajustar suas propriedades. Isso facilita o estudo de seu comportamento em várias circunstâncias, tais como temperatura da amostra, tamanho e densidade, composição, dimensionalidade e tempo de coerência. A extensão de experimentos possíveis é limitada pelas especificações da espécie atômica utilizada. Nessa tese, eu apresento o trabalho feito em um experimento para resfriamento de átomos de estrôncio, focando em sua estabilidade, que deve gerar amostras frias e ultras-frias para o estudo de efeitos coletivos em espalhamento de luz. Do aparato inicial, inúmeras mudanças foram feitas. O sistema de vácuo foi melhorado e agora atinge vácuos ultra altos mais baixos, devido ao pré-cozimento feito em suas partes e a adição de um estágio de sublimação de titânio. A estabilidade e a prevenção de perdas de luz dos sistemas de laser azul, verde e vermelho foram melhorados, levando a um sistema mais robusto. Outro ponto importante é o desenvolvimento de dispositivos caseiros para reduzir os custos e para ser usado como monitor de diferentes partes de um experimento de átomos frios. Destes dispositivos, pudemos demonstrar a redução dramática da largura de linha de um diodo laser de 461 nm de baixo custo devido a estabilização por injeção. No fim, esse aparato experimental melhorado fez possível o estudo de um novo efeito de espalhamento, o retro espalhamento coerente da luz assistido por espelho.

Este trabalho teve como finalidade o desenvolvimento de uma técnica de carga para armadilhas magnéticas-óticas. Nosso objetivo com este desenvolvimento foi aumentar a eficiência do aprisionamento de modo a possibilitar sua utilização como etapa inicial na geração de condensados de Bose-Einstein. Com este intuito utilizamos feixes atômicos desacelerados em substituição a liberação de vapor na câmara da armadilha, desta forma eliminando as limitações no vácuo. O elemento distintivo de nossa técnica se baseou na utilização de um disco opaco. Este possuía a função de gerar uma sombra no laser responsável pela desaceleração dos átomos. Ao projetar esta sombra sobre a região de formação da armadilha evitamos os efeitos destrutivos do laser sobre a mesma. Desta maneira conseguimos aumentar consideravelmente o número de átomos aprisionados excepcionalmente em relação a carga a partir vapor, atingindo um número de 7.108 e densidade de 1010 átomos/cm3 numa situação otimizada / The goal was to learn and to develop efficient techniques to be used for quickly loading magneto optical traps. It may become usefull during the first steps towards producing Bose-Einstein condensates. A few different aproaches were attempted in order to avoid the loading from the surrounding thermal vapor. The key factor was the use of an opaque, disc shapped, laser beam block. It was imprinted onto one facet of an optical glass slab and then imaged into the trapping region producing a dark shadow there. This blackned region was found to eliminate the harmful effects of the near resonant light from the decelerating laser beam, which is able to pump a significant fraction of the captured atoms out of the trap. Therefore, we were able to signicantly improve the overall trapping efficiency and the number of atoms captured from the decelerated atomic beam. In the optimal configuration, we counted 7x108 trapped atoms with number densities as high as 1010 atoms/cm3

Construímos uma armadilha magneto-ótica (MOT) para átomos de rubídio visando o seu aprisionamento em um potencial periódico formado por feixes de luz (rede ótica) e a realização de experimentos em física atômica, com possíveis aplicações no campo da informação quântica. A necessidade de uma MOT vem dos problemas que o movimento térmico dos átomos impõem à realização de medidas precisas. Neste arranjo, combina-se a pressão de radiação de feixes laser com o efeito do campo magnético para resfriar e aprisionar átomos neutros. Durante a execução deste projeto, construímos os lasers e o sistema eletrônico de controle de frequência, intensidade e temperatura; montamos o sistema de bombeamento de vácuo e a câmara de vácuo onde é feito o aprisionamento; fizemos os arranjos para caracterizar a MOT, usando programas de computador para capturar e analisar as medidas. Caracterizamos a nuvem de átomos frios obtida, estimamos o número de átomos aprisionados, o tempo de carregamento e a temperatura da nuvem. / We built a magneto-optical trap (MOT) for rubidium as a first step for the trapping of a cloud of cold atoms in a periodic potential formed by light beams. This system will be used for experiments in atom physics, with possible applications in quantum information. A MOT is necessary to avoid the problems imposed by the thermal agitation of the atoms to the measurement of their properties. In this configuration, we combine the radiative pressure of laser beam with the effect of a magnetic field to cool and trap neutral atoms. During the execution of this project, we built the lasers and the electronic system for their control of frequency, intensity and temperature. We also built the system for vacuum pumping and the vacuum chamber for the trapping, as well as the setup for the MOT characterization, with computer programs for capture and analyze the measurements. We characterize the cold atoms cloud, measuring the number of trapped atoms, their loading time in the MOT and their temperature.

Este trabalho é a continuação de uma linha de pesquisa iniciada com a Tese de Mestrado da autora. Trata-se do estudo do polimorfismo de alguns nitrocompostos aromáticos com o emprego da espectroscopia vibracional. Foram analisadas as seguintes substâncias: Seleneto de o-nitrodifenila; Sulfeto de metila e o-nitrofenila; Seleto de metila e o-nitrodifenila; Éter de p,pdinitrodifenila; Sulfeto de p,p-dinitrodifenila; Seleto de p,p-dinitrodifenila. Foram obtidas e caracterizadas as formas metaestáveis de cada composto e medidos os pontos de fusão. Através dos espectros foram identificadas as diferenças entre as variedades polimórficas e atribuídas as frequências aos modos normais de vibração. O tratamento matemático das coordenadas normais para o sulfeto e seleneto de p,p-dinitrodifenila foi feito com o uso do programa MM-2 modificado, após atribuição das frequências experimentais e utilização do modelo de forças de valências adaptado do nitrobenzeno. O programa permitiu obter um conjunto aceitável de constantes de força. Foi também obtida a distribuição relativa das energias potenciais pelos modos de vibração. Ainda como resultado das diferenças polimórficas e cálculo de coordenadas normais, foram evidenciados os modos de vibração mais afetados pelo empacotamento diferente das formas cristalinas. Sugerem-se também, através do cálculo e dos espectros, os ângulos de torção mais favoráveis para as formas estável e metaestável

Avaliamos a aplicação de alguns métodos de otimização que não utilizam informação prévia e introduzimos novos métodos que a utilizam na solução de problemas de física atômica e molecular. Aplicamos esses métodos na determinação da geometria do estado fundamental de aglomerados de Silício. A energia total foi calculada pelo método semi-empírico Tight Binding, mas é facilmente adaptável a qualquer outro. Na discussão de métodos sem informação prévia fizemos uma comparação entre Recozimento Simulado Generalizado, RSG, que utiliza a estatística de Tsallis e o Recozimento Simulado Clássico, RSC, que utiliza estatística de Boltzmann. Mostramos que o RSG tem potencial para acelerar a determinação do mínimo global sem perder eficiência em relação ao RSC. Verificamos que em outros problemas de física, a inclusão de informação prévia, isto é, a experiência de pesquisadores permitiu a solução de problemas que desafiavam os cientistas. Decidimos, então, introduzir um novo procedimento de otimização global de geometrias de aglomerados baseado na utilização de informação prévia disponível que fosse automático, isto é, que aprendesse por si. Com esse objetivo, combinamos as Redes Neurais Artificiais com o Algoritmo Genético. Este método é adequado para resolver problemas que dependam de algum tipo de heurística para limitar o hiper-espaço a ser pesquisado. Mostramos que as Redes Neurais Artificiais são capazes de, após treinadas, aprender as características do problema. Mostramos que podem gerar uma população selecionada para o algoritmo genético e acelerar a descoberta da solução do problema de otimização. Aplicamos o novo método para determinar a geometria do estado fundamental de aglomerados de Silício. Treinamos as Redes Neurais Artificiais com aglomerados pequenos (de até 9 átomos) e estudamos o Si10 e Si20, conseguindo um resultados cerca de 3 vezes mais rápidos do que o genético puro. Um próximo passo será o acoplamento de nosso método com um procedimento mais preciso que a aproximação Tight-Binding , especificamente pretendemos usar o "Full-Potential Linear Muffin-Tin Orbital" de Li e Cao. Outro interesse futuro e explorar a otimização assistida por rede neural em problemas de outras áreas da física, como por exemplo a análise espectroscópica.

A determinação da conformação tridimensional, correspondente ao estado fundamental de aglomerados atômicos, é um dos temas de investigação da Física Computacional. Particularmente, duas razões fazem com que essa determinação torne-se uma tarefa árdua. Em primeiro lugar, o problema mecânico-quântico a ser resolvido é muito custoso, em termos computacionais. Segundo, a hipersuperfície de energia, relacionada a esses sistemas, apresenta uma grande quantidade de mínimos locais.Para superar esses problemas, desenvolvemos um procedimento computacional, baseado no Algoritmos Genéticos (GA), capaz de encontrar a conformação referente ao mínimo global de tais aglomerados. A partir de estudos preliminares, associamos as melhores características dos algoritmos genéticos (GA) e do simulated annealing (SA), desenvolvendo um algoritmo híbrido (HA). Este novo algoritmo apresentou fraca depedência dos parâmetros iniciais, estratégia de busca em paralelo, rápida convergência, alta precisão e resolução. O HA foi capaz de predizer 3 novas conformações para o aglomerado Si20 que, dentro dos limites da aproximação Tight-Binding, representam conformações de menor energia de ligação por átomo, quando comparadas com modelos anteriormente propostos na literatura. A seguir, desenvolvemos um sistema classificador (CS) capaz de aprender sobre as informações conformacionais extraídas dos aglomerados menores, para predizer a conformação, dos maiores. Essas tácnicas (GA, SA e CS) foram reunídas em um único algoritmo. Na determinação da conformação do aglomerado Si20, o algoritmo apresentado nessa tese superou o GA e o SA, em termos de tempo de CPU requerido, por um fator de 104. Em princípio, as idéias e algoritmos apresentados nessa tese podem ser aplicados na otimização de quaisquer sistemas poliatômicos.