L’objectif principal de ce travail de thèse est de formuler un matériau nanocomposite doté de propriétés magnéto-optiques (MO) et photostructurable pour, in fine, réaliser des dispositifs optiques non-réciproques pouvant être intégrés au sein de puces optiques. Le matériau nanocomposite MO est obtenu en dispersant des nanoparticules magnétiques (NP) de ferrite de cobalt dans une matrice sol-gel d’alcoxydes de silicium et de titane. Les NP confèrent au matériau ses propriétés MO. La formulation du matériau est photostructurable en UV profond (193, 266 nm) sans ajout de photoamorceur et se comporte comme une photo-résine négative. La formulation est flexible en termes de ratio molaire Si/Ti et de dopage en NP pouvant atteindre 20 %vol. La photochimie du matériau en films minces a été étudiée par ellipsométrie spectroscopique, FTIR et spectroscopie UV-visible. Les techniques de photolithographies UV interférométriques et par masques binaires ont permis de réaliser des réseaux périodiques de lignes bien définis et couvrant une large gamme de périodes, de 500 nm à 100 µm. Les propriétés optiques et MO (rotation Faraday) du matériau ont été étudiées. En couches minces, l’indice de réfraction peut être modulé entre 1,4 et 1,7 selon la composition du matériau. Il a été établi que l’ensemble des NP introduites dans le matériau contribuent à la rotation Faraday. Des dispositifs microstructurés ont été réalisés en espace libre et en configuration guidée en se basant sur les dimensionnements opto-géométriques déterminés par des simulations optiques et MO. Leurs caractérisations démontrent l’intérêt de ce matériau et son caractère prometteur pour réaliser des dispositifs intégrés. / The main objective of this PhD work is to formulate a nanocomposite material with magneto-optical (MO) properties which is also photostructurable, in order to ultimately create non-reciprocal optical devices that can be integrated into optical chips. The nanocomposite MO material is obtained by homogenously dispersing magnetic nanoparticles (NP) of cobalt ferrite in a sol-gel matrix based on silicon and titanium alkoxides. NP confer the material its MO properties. The material is photostructurable with deep UV wavelengths (193, 266 nm) without any addition of photoinitiator and behaves like a negative photoresist. The formulation is versatile in terms of Si/Ti molar ratio and NP doping, up to 20 %vol. The photochemistry of this material as thin films has been studied by spectroscopic ellipsometry, FTIR and UV-visible spectroscopy. UV photolithography techniques using interferometry setups and binary masks have achieved well-defined periodic lines patterns over a wide range of periods, from 500 nm to 100 microns. The optical and MO (Faraday rotation) properties of the material were studied. In thin layers, the refractive index can be modulated between 1.4 and 1.7 depending on the Si/Ti material stoichiometry and its NP doping. It has been established that all the NP introduced in the material contribute to the Faraday rotation. Micro-structured devices in free space and in guided configuration have been realized using the opto-geometrical features determined using optical and MO simulations. Their characterizations demonstrate the high interest of this material and clearly show its promising character to realize integrated devices.

Thesis (MSc)--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: A magneto optical trap (MOT) is capable of trapping a vapor cloud consisting of atoms cooled down to the micro Kelvin range. Three orthogonal pairs of counter-propagating laser beams of the correct circular polarisation form an optical molasses which facilitates the cooling of neutral atoms. Additionally a spatially non-uniform magnetic field produced by two current carrying coils in a Maxwell gradient configuration is used to trap the cooled atoms. In this report the effects of the trap parameters, including the laser beam intensity and frequency detuning, beam diameter and magnetic field gradient, on the number of trapped atoms are discussed. Secondly the development of an experimental setup for laser cooling and trapping of 87Rb atoms in vacuum with the aid of a MOT is presented. All trap components were implemented and characterised. The vacuum system and trapping chamber in which the cooling takes place were designed and constructed. A rubidium getter to act as a source of atoms was integrated into the vacuum system. The two external cavity diode lasers used for trapping and optical re-pumping were characterised. The optical setup required for the optical molasses was designed, constructed and characterised. Saturated absorption spectroscopy was performed to investigate the hyperfine structure of 87Rb and to frequency lock the lasers. We report on the current status of the project with regards to progress, results and future work. / AFRIKAANSE OPSOMMING: 'n Magneto-optiese val (magneto optical trap, MOT) kan 'n dampwolk van atome vang en afkoel tot in die mikro Kelvin bereik. Drie ortogonale pare laserbundels, elke paar voortplantend in teenoorgestelde rigtings, met die korrekte sirkelvormige polarisasie vorm 'n sogenaamde optiese molasse wat die afkoeling van neutrale atome moontlik maak. Bykomend word 'n ruimtelik nie-uniforme magneetveld geproduseer deur twee stroomdraende spoele in 'n Maxwell gradient-opstelling gebruik om die afgekoelde atome te vang. In hierdie verslag word die invloed van die val parameters, insluitend die laserbundel intensiteit en frekwensie afstemming, die laserbundel deursnit en magneetveld gradiënt, op die aantal atome in die val bespreek. Tweedens word die ontwikkeling van 'n eksperimentele opstelling vir laser afkoeling en vang van 87Rb atome in vakuum met die hulp van 'n MOT voorgelê. Alle komponente van die val is geïmplementeer en gekarakteriseer. Die vakuumsisteem en val-kamer waarin die afkoeling plaasvind is ontwerp en gebou. 'n Rubidium gasbinder is in die vakuumsisteem ingebou om as 'n bron van atome te dien. Die twee eksterne resonator diodelasers wat gebruik is vir die val en die optiese terugpomp is gekarakteriseer. Die optiese opstelling wat nodig is vir die optiese molasse is ontwerp, gebou en gekarakteriseer. Versadigde absorpsiespektroskopie is uitgevoer om die hiperfynstruktuur van 87Rb te ondersoek en om die lasers se frekwensies te stabiliseer. Verslag word gedoen oor die huidige stand van die projek wat betref vordering, resultate en toekomstige werk.

Neste trabalho apresentamos os primeiros resultados sobre medida do tempo de vida de estados de Rydberg utilizando átomos frios confinados em uma armadilha magneto-optica de 85Rb. Medidas de tempo de vida de estados altamente excitados são importantes para o teste de teorias modernas sobre interação átomo-vácuo; desta forma medidas precisas são necessárias. A utilização de átomos frios apresenta várias vantagens quando comparadas com técnicas convencionais. Entre elas podemos citar a possibilidade de observação do sistema atômico por longos períodos (>100 &#181;s), e o controle da densidade de forma eficiente para evitar a manifestação de efeitos indesejáveis (colisões, superradiância) que limitam a precisão da medida. Apresentamos a medida do tempo de vida do estado 27D e 38S e comparamos os resultados experimentais com previsões teóricas de diferentes modelos. Algumas discrepâncias são observadas, o que reforça a necessidade da obtenção de um conjunto maior de medidas incluindo outros níveis para indicar qual modelo teórico é mais próximo da realidade. / In this work we present our first results on lifetime measurement of Rydberg states using cold atoms held in a magneto-optical trap of 85Rb. Lifetime measurements of highly excited states are important for testing modern theories on atom-vaccum interaction, therefore precise measurements are required. The use of cold atoms presents some advantage when compared with conventional techniques. Among them we cam point out the possibility of atomic observation for long periods of time (<100 &#181;s), the atomic density control in order to avoid undesired effects (such collisions and superradiance) which can limit the measurement precision. We present the lifetime measurement of 27D and 38S states and compared the experimental results with theoretical prediction using different models. Some discrepancies are observed, which indicates the need of a large set of measurement for other states in order to indicate the best model.

Um estudo das taxas de perda de átomos ocorrendo numa armadilha magneto-óptica mista foi realizado aqui. Observamos experimentalmente, pela primeira vez, a ocorrência de processos colisionais inelásticos envolvendo duas espécies atômicas distintas. Identificamos o escape radiativo como o processo dominante nas taxas de perda de átomos da armadilha de sódio, devidas às colisões desses com os átomos de rubídio aprisionados, para as dadas condições experimentais. Realizamos estudos semelhantes com uma mistura K-Rb, onde as taxas de perda de átomos da armadilha de potássio foram observadas. Procurou-se interpretar os resultados através um modelo semiclássico que teve de ser modificado por nós. Esses estudos foram importantes porque revelaram a grande influência do processo de escape radiativo nas taxas de perda. Também verificou-se que outros canais podem manifestar a sua influência e suspeitamos que isso se deva às diferenças estruturais das \"quasimoléculas\" formadas na colisão. A compreensão de processos colisionais em armadilhas magneto-ópticas mistas é importante para a obtenção e estudo de amostras distintas de condensados bosônicos coexistindo numa mesma região. / We report the results of the trap-Ioss collisional rates observed in a mixed species magneto-optical trapo These are the first systematic studies about the collisionalloss channels due to heteronuclear interactions between two cold atomic sampIes in aMOr. We have used two different combinations: Na-Rb and K -Rb. lt was observed that the rates are strongly affected by the radiative escape Ioss channel, especially in the Na-Rb system. We also observed that some other Ioss channels may ruIe the rates behavior depending on the combination or the experimento To understand the results a semiclassical approach was used: the Gallagher-Prichard theory. We beIieve that these studies will soon be helpful to control the interatomic collisional rates for the achievement of heteronuclear sampIes of Bose-Einstein condensates.

Neste trabalho, abordamos dois assuntos independentes e interessantes que permeiam o cotidiano dos pesquisadores da área de resfriamento e confinamento de átomos neutros. O primeiro está relacionado aos processos de perda de átomos ocorrendo em armadilhas magneto-ópticas, a partir das quais o fenômeno é observado. Mostramos que a conjunção de dois modelos tradicionais da literatura é capaz de gerar um modelo semiclássico e semi-analítico básico e robusto, capaz de reproduzir as características fundamentais dos resultados experimentais já obtidos, incluindo os mais recentes. Isto demonstra que os aspectos essenciais dos mecanismos de perda em armadilhas são, agora, bem compreendidos. O segundo assunto abordado aqui está relacionado à observação de moléculas diatômicas formadas em armadilhas magneto-ópticas. Nesse sentido, uma série de experimentos básicos foi realizada, gerando resultados e discussões que constituem uma rica fonte de informação inspirando a continuação e conclusão do trabalho iniciado aqui, cujo objetivo final é a caracterização precisa e o desenvolvimento técnicas de resfriamento e aprisionamento de moléculas diatômicas heteronucleares. / We report the results concerning to two main subjects of laser cooling and trapping community. We begin by presenting the results of modeling two-body trap loss rates as a function of the trap laser intensity. We show that one can merge two simple theories to obtain a semiclassical and semi-analytical model which is able to provide the fundamental properties observed in the experimental results found in the literature. Hence, we concluded that the essential features of the two-body trap loss rates taking place in MOTs are now well understood. On the other hand, we run a set of experiments trying to produce and detect heteronuclear diatomic ultracold molecules. Although this has not been accomplished yet, we have acquired a wide and rich amount of data that will certainly be very helpful for continuing and concluding the work here started. In the near future the photoassociation spectroscopy of ultracold heteronuclear diatomic molecules will provide valuable information to help in its manipulation.

Neste trabalho, mostramos que é possível suprimir a maioria dos processos inelásticos que podem causar perdas de átomos em armadilhas magneto-ópticas. Nossos resultados revelam que o processo de blindagem óptica (demonstrado pelo nosso grupo, pela primeira vez para o processo de ionização fotoassociativa – Phys. Rev. Lett. 73, 1911 (1994)) é bem mais geral do que se supunha. Permitindo, inclusive, a supressão de colisões entre átomos no estado fundamental. E provavelmente qualquer outro processo inelástico que ocorra a curtas distâncias internucleares. Para se chegar a esses resultados, foi necessário desenvolver uma nova técnica de aprisionamento, que permite o estudo de colisões frias, mesmo em armadilhas cujo potencial de confinamento é pequeno. Graças a essa técnica foi possível, pela primeira vez, observar perdas causadas por mudança de estrutura hiperfina, numa armadilha de átomos de sódio operando na linha D1 (carregada a partir de uma célula de vapor). Essa técnica ainda nos permitiu medir a taxa de colisões frias (&#61538;) no trap da linha D1, um dado que até então não existia na literatura. Para verificar a confiabilidade dos resultados obtidos por essa técnica, realizamos também medidas de &#61538; na linha D2 e comparamos esses resultados com outros existentes na literatura (obtidos por uma técnica diferente). A boa concordância entre esses resultados nos deixa confiantes em dizer que essa técnica, além de ser muito interessante, no estudo de armadilhas rasas (seja isso devido à intensidade dos lasers de aprisionamento, seja devido a natureza própria da armadilha), é também bastante confiável / In this work, we showed that is possible to suppress most of the inelastic processes that may cause losses of atoms in a magneto-optical trap. Our results reveal that the process of optical shielding (demonstrated by our group, for the first time to photoassociative ionization - Phys. Rev. Lett. 73, 1911 (1994)) is much more general than it was supposed. Even allowing the suppression of ground state collisions and probably any other inelastic process that happens at short internuclear distances. To achieve those results, it was necessary to develop a new trapping technique, which allows the study of cold collisions, even in traps whose confinement potential is small. Thanks to that technique it was possible, for the first time, to observe losses caused by hyperfine changing collisions, in a trap of sodium atoms operating in the D1 line (loaded from a vapor cell). That technique has still allowed us to measure the rate of cold collisions (&#61538;) for the D1 line trap, a result which, until now, did not exist in the literature. To verify the reliability of the results obtained by that technique, we also accomplished measures of &#61538; in the D2 line and compared those results with other existent ones in the literature (obtained by a different technique). The good agreement among those results, made us confident in saying that this technique, besides being very interesting in the study of shallow traps (due to the intensity of the trapping lasers, or due to the own nature of the trap), it is also quite reliable.

Armadilhamento duplo de átomos neutros constitui um dos avanços mais recentes no estudo de colisões frias. Obtivemos experimentalmente as taxas de perda devido a interação de espécies alcalinas mistas (Cs/Rb). Utilizamos uma armadilha magneto-óptica mista operando com feixes de alta intensidade permitindo o resfriamento e confinamento das amostras com sucesso. Esse trabalho apresenta-se de forma relevante pois corresponde a primeira etapa para o estudo do processo de formação de moléculas frias heteronucleares. Uma comparação entre duas técnicas de monitoramento dos processos de carga de átomos foi realizada. Os resultados tanto qualitativamente como quantitativamente foram satisfatórios. Determinamos as taxas de perda, de interesse e analisamos essas taxas considerando a proporção entre as massas dos átomos envolvidos e enfocando o efeito causado pela diferença de massa entre eles concluindo assim o objetivo principal dessa dissertação. / Double trapping of neutral atoms is one of the most recent advances in the study of collisions cold. Experimentally obtained the rates of loss due to the interaction of species alkaline mixed (Cs / Rb). We use a magneto-optical trap mixed operating with beams of high intensity allowing the cooling and containment of the samples successfully. This work is so important because it represents the first step to study the process of formation of molecules heteronucleares cold. A comparison between two techniques of monitoring procedures for cargo of atoms was performed. The results both qualitatively and quantitatively were satisfactory. And the rates of loss of interest and analyze the rates considering the ratio between the masses of atoms involved and focusing on the effect caused by the difference of mass between them thus completing the main objective of this dissertation.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:15:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 introducao.pdf: 91836 bytes, checksum: cb92c1e5e08cf2686a55fb3fdfcba785 (MD5) Previous issue date: 2011-07-20 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work we present the building and characterization of a Magneto-Optical Trap (from now on named MOT) for Rubidium atoms. We perform experiments for studying the e¤ect of a broadband light over trapped atoms. In order to carry out this study we used a incandescent lamp which is broad in the wavelength spectrum. We observed in a MOT, with a number of 109 trapped atoms, that the broadband light increases the emitted .uorescence by the cloud of atoms. This could indicate an e¤ective enlargement in the trap e¢ciency. However, we cannot distinguish, based on our experiments, if this di¤erence is due to an increasing in the number of the trapped atoms or if it is just scattered light caused by the increasing in the intensity of the incident light over the cloud. Thus, we did an analysis in the answer of the laser beam versus the variation in the intensity of lasers used for trapping. In a second step, we perform this study but with a lower number of trapped atoms, 108 atoms, and we verify that the heating of the lamps implies in the increasing of the loss of atoms in the trap, diminishing the number of trapped atoms. Hence, this lead us to make a study on the collisions dynamics that are in the trap, in order to understand the in.uence of the temperature on the trap e¢ciency. We observe that a small uniform increasing in the chamber temperature would lead to a great loss in the trap , but the increasing in the temperature caused by the lamps is a local increasing and generates a degassing of the chamber, increasing the quantity of the background vapour. / Neste trabalho apresentamos a construção e caracterização de uma armadilha magneto-óptica, a qual utilizamos para aprisionamento de átomos de Rb. Após a construção da armadilha e sua caracterização, fizemos experimentos para estudar os efeitos da luz de banda larga sobre os átomos aprisionados. Para esse estudo, utilizamos lâmpadas incandescentes que possuem um espectro largo de comprimentos de onda. Verificamos que em uma armadilha com 109 átomos aprisionados, a luz de banda larga aumenta a fluorescência emitida pela nuvem de átomos, tendo fortes indícios que isto representa efetivamente um aumento na eficiência da armadilha. No entanto, com os experimentos que fizemos, não podemos distinguir se essa diferença é referente a um aumento de átomos aprisionados ou apenas espalhamento de luz causado pelo aumento da intensidade de luz incidida sobre a nuvem. Fizemos então uma comparação da resposta dos átomos, frente a variações na intensidade dos feixes de laser utilizados para o aprisionamento. Por motivos que serão discutidos neste trabalho, refizemos esse estudo com um número menor de átomos aprisionados, 108 átomos, e verificamos que o aquecimento das lâmpadas reflete no aumento das perdas na armadilha, diminuindo então o número de átomos aprisionados. Isto nos levou a fazer um estudo sobre a dinâmica das colisões presentes na armadilha, para entendermos a influência da temperatura na eficiência da armadilha. Verificamos que um pequeno aumento uniforme na temperatura da câmara levaria a grandes perdas na armadilha, mas o aumento da temperatura causado pelas lâmpadas é um aumento local, e gera um processo de desgaseificação da câmara, aumentando a quantidade de átomos, "diferentes de Rb", presentes no vapor de fundo.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:15:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 capa ate a Introducao.pdf: 95782 bytes, checksum: 9c1b33c935822f8b7b9fab4eec59cfc6 (MD5) Previous issue date: 2012-03-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a study about infuences that a quadripolar magnetic field periodically time dependent, can promote in a magneto-optical trap (MOT). The intention reflects the interest in finding an oscillating field configuration that enables the capture and provide benefits if compared to the typical process of trapping. In many papers that will be cited here, a MOT uses a magnetic field that promotes a linear steady magnetic field gradient from the center of the trap. Applying experimental results involving magnetic field oscillations, which will be quoted in detail throughout this text, came the initiative to mathematically model the problem and seek a form of oscillation that may result in a more efficient trapping. Numerical results in a one-dimensional model suggests that the number of atoms is strongly aflected by fuctuations, but we have not found, for the modulations suggests in this work, an oscillation model that could provide an increase of the trap atoms. It was noted that the oscillation frequency of the atom is subjected, aflect the amplitude of the oscillations in the number of trapped atoms. / Neste trabalho apresentamos um estudo sobre as influências que um campo quadripolar magnético, periodicamente dependente do tempo, pode promover em uma armadilha magnético-óptica (Magneto Optical Trap - MOT). O objetivo deste trabalho reflete o interesse em encontrar uma configuração de campo oscilante que possibilite o aprisionamento e forneça vantagens em relação ao processo típico de armadilhamento. Em muitos dos trabalhos que serão citados aqui, um MOT utiliza um campo magnético quadripolar estacionário que promove um gradiente de campo magnético linear à partir do centro da armadilha. Usando resultados experimentais envolvendo oscilações no campo magnético, que serão citados mais detalhadamente no decorrer deste texto, surgiu a iniciativa de modelar o problema matematicamente e buscar uma forma de oscilação que possa resultar em um aprisionamento mais eficiente. Resultados numéricos concebidos em um modelo unidimensional sugerem que o número de átomos é fortemente afetado pelas oscilações, mas não foi possível encontrar, para as modulações sugeridas neste trabalho, uma modulação que pudesse fornecer aumento expressivo no número de átomos armadilhados. Foi possível constatar que a freqüência da oscilação a que o átomo é submetido, afetará a amplitude das oscilações no número de átomos armadilhados.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:15:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Iara Maite Campestrini.pdf: 1744610 bytes, checksum: 71e01f191ae9fa061c877988b0114787 (MD5) Previous issue date: 2013-07-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In order to increase the efficiency of magneto-optical traps, yielding a greater number of trapped atoms and long lifetimes, the effect of lightinduced desorption atom source emerges as an adjuvant and no thermal atoms. A prior experimental investigation (FRITSCH, 2011) showed that the number of rubidium atoms trapped increases when a light desorption focuses on the inner walls of the chamber imprisonment, whose material is stainless steel. The light desorption is applied from an incandescent lamp with power equal to 60 mW. The experimental data are adjusted and parameters are determined from the trap, in case of absence of light. Thus, the theoretical model proposed by Zhang et al. (2009) is applied, describing the increase of the number of atoms in the magneto-optical trap when the light desorption is triggered. In this setting, the rate of desorption and adsorption coefficient is estimated at 5x1017 atoms per second and 55 s-1. The combination of this model with that proposed by Monroe et al. (1990), in case of absence of light, perfectly describes the experimental curve generated when the mechanism for obtaining the magneto-optical trap and light desorption are actuated simultaneously. Furthermore, a theoretical prediction for the desorption rate, the rate of charging of magneto-optical trap and maximum number of atoms trapped on the basis of light desorption power is shown graphically. / Com o intuito de aumentar a eficiência das armadilhas magnéto-ópticas, obtendo-se um número maior de átomos aprisionados e longos tempos de vida, o efeito de dessorção atômica induzida por luz surge como uma fonte coadjuvante e não térmica de átomos. Uma investigação experimental prévia (FRITSCH, 2011) comprovou que o número de átomos de rubídio armadilhados aumenta quando uma luz de dessorção incide sobre as paredes internas da câmara de aprisionamento, cujo material é de aço inoxidável. A luz de dessorção aplicada é proveniente de uma lâmpada incandescente com potência igual a 60 mW. Os dados experimentais são fitados e os parâmetros da armadilha são determinados, para o caso sem luz. Com isso, o modelo teórico proposto por Zhang et al. (2009) é aplicado, descrevendo muito bem o incremento do número de átomos presentes na armadilha magnéto-óptica quando a luz de dessorção é acionada. Desse ajuste, a taxa de dessorção e o coeficiente de adsorção são estimados em 5x1017 átomos por segundo e 55 s-1. A união desse modelo com o proposto por Monroe et al. (1990), para o caso sem luz, descreve perfeitamente a curva experimental gerada quando o mecanismo para a obtenção da armadilha magnéto-óptica e a luz de dessorção são acionados simultaneamente. Além disso, uma previsão teórica para a taxa de dessorção, a taxa de carregamento da armadilha magnéto-óptica e o número máximo de átomos aprisionados em função da potência da luz de dessorção é mostrada graficamente.