No presente trabalho, buscou-se generalizar o Stern-Gerlach óptico para o caso de duas cavidades, as quais possuem eixos ópticos perpendiculares entre si. Nesse experimento, um pacote atomico de dois níveis incide em uma pequena fração do volume ocupado por dois modos, na região onde os nodos das ondas estacionárias de cada modo se superpõem. Diferentemente do Stern-Gerlach óptico de cavidade única, além do intercâmbio de fótons efetuado entre o átomo e cada modo separadamente, também ocorre interação modo-modo, mediada indiretamente pelo átomo. Esse fator contribui efetivamente na caracterização da distribuição de momento do átomo. Espera-se que os desvios de trajetória sofridos pelo átomo, decorrentes de sua interação simultânea com dois modos idênticos do campo de radiação, devam ser observados no plano definido pelas duas cavidades. O estudo é efetuado considerando-se o tratamento clássico da posição do centro de massa atômico, que está associado à sua direção de incidência. Além do que, considera-se a aproximação de Raman-Nath, na qual despreza-se a variação da energia cinética transversal ao movimento atômico, durante a interação átomo-modos. Verifica-se que a análise da distribuição de momento atômico transversal permite acessar a estatística de fótons dos modos das cavidades. Este resultado viabiliza a realização da tomografia dos estados de dois modos por meio da medida da distribuição de momento bidimensional dos átomos. Por fim, através da utilização de estados coerentes na configuração de cavidades cruzadas, investiga-se as possibilidades do controle da direção de deflexão do átomo para aplicações em litografia puramente quântica. / This work deals with the generalization of the optical Stern-Gerlach effect for two cavities whose optical axes are perpendicular to each other. An atomic wave of a two-level atom is focused on a small fraction of the volume occupied by the two modes, in the region where the standing waves nodes overlap. Unlike the optical Stern-Gerlach of single cavity, besides the separate photon exchange between an atom and each mode, there also occurs mode-mode interaction indirectly mediated by the atom. This fact contributes towards the characterization of the atomic momentum distribution. Trajectory deviations suffered by the atom due to its simultaneous interaction with the two identical modes of the radiation field are expected in the plane defined by the two cavities. The study is carried out considering the classical treatment of the atomic center of mass position, which is associated with its incidence direction. The Raman-Nath approximation, which neglects the variation in the kinetic energy transversal to the atomic motion during the interaction atom-modes is considered. The analysis of the transversal momentum distribution of the atom allows accessing the photon statistics of the cavities modes. This result enables the realization of the two-mode states tomography via measurement of the two-dimensional momentum distribution of the atom. Finally, by using coherent states of the crossed cavities configuration, the study investigates the possibilities of controlling the atomic deflection direction for applications to quantum lithography.

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.

No presente trabalho, buscou-se generalizar o Stern-Gerlach óptico para o caso de duas cavidades, as quais possuem eixos ópticos perpendiculares entre si. Nesse experimento, um pacote atomico de dois níveis incide em uma pequena fração do volume ocupado por dois modos, na região onde os nodos das ondas estacionárias de cada modo se superpõem. Diferentemente do Stern-Gerlach óptico de cavidade única, além do intercâmbio de fótons efetuado entre o átomo e cada modo separadamente, também ocorre interação modo-modo, mediada indiretamente pelo átomo. Esse fator contribui efetivamente na caracterização da distribuição de momento do átomo. Espera-se que os desvios de trajetória sofridos pelo átomo, decorrentes de sua interação simultânea com dois modos idênticos do campo de radiação, devam ser observados no plano definido pelas duas cavidades. O estudo é efetuado considerando-se o tratamento clássico da posição do centro de massa atômico, que está associado à sua direção de incidência. Além do que, considera-se a aproximação de Raman-Nath, na qual despreza-se a variação da energia cinética transversal ao movimento atômico, durante a interação átomo-modos. Verifica-se que a análise da distribuição de momento atômico transversal permite acessar a estatística de fótons dos modos das cavidades. Este resultado viabiliza a realização da tomografia dos estados de dois modos por meio da medida da distribuição de momento bidimensional dos átomos. Por fim, através da utilização de estados coerentes na configuração de cavidades cruzadas, investiga-se as possibilidades do controle da direção de deflexão do átomo para aplicações em litografia puramente quântica. / This work deals with the generalization of the optical Stern-Gerlach effect for two cavities whose optical axes are perpendicular to each other. An atomic wave of a two-level atom is focused on a small fraction of the volume occupied by the two modes, in the region where the standing waves nodes overlap. Unlike the optical Stern-Gerlach of single cavity, besides the separate photon exchange between an atom and each mode, there also occurs mode-mode interaction indirectly mediated by the atom. This fact contributes towards the characterization of the atomic momentum distribution. Trajectory deviations suffered by the atom due to its simultaneous interaction with the two identical modes of the radiation field are expected in the plane defined by the two cavities. The study is carried out considering the classical treatment of the atomic center of mass position, which is associated with its incidence direction. The Raman-Nath approximation, which neglects the variation in the kinetic energy transversal to the atomic motion during the interaction atom-modes is considered. The analysis of the transversal momentum distribution of the atom allows accessing the photon statistics of the cavities modes. This result enables the realization of the two-mode states tomography via measurement of the two-dimensional momentum distribution of the atom. Finally, by using coherent states of the crossed cavities configuration, the study investigates the possibilities of controlling the atomic deflection direction for applications to quantum lithography.

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.

Submitted by Murilo Oliveira (murilo.oliveira@df.ufscar.br) on 2018-05-28T14:03:10Z No. of bitstreams: 1 MuriloOliveira_dissertacao.pdf: 3213764 bytes, checksum: eaf61f839f12dceed4b235ef7970e674 (MD5) / Rejected by Ronildo Prado (ri.bco@ufscar.br), reason: Oi Murilo, Faltou enviar a Carta comprovante assinada pelo orientador. Solicite o modelo em sua Secretaria de Pós-graduação, preencha e colete a assinatura com o orientador e acesse novamente o sistema para fazer o Upload. Fico no aguardo para finalizarmos o processo. Abraços Ronildo on 2018-06-04T17:58:14Z (GMT) / Submitted by Murilo Oliveira (murilo.oliveira@df.ufscar.br) on 2018-06-04T18:39:43Z No. of bitstreams: 2 MuriloOliveira_dissertacao.pdf: 3213764 bytes, checksum: eaf61f839f12dceed4b235ef7970e674 (MD5) IMG_20180604_0001.pdf: 522878 bytes, checksum: b7fa478fbcdf1b45955f8a02f8403af0 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ri.bco@ufscar.br) on 2018-06-06T17:29:19Z (GMT) No. of bitstreams: 2 MuriloOliveira_dissertacao.pdf: 3213764 bytes, checksum: eaf61f839f12dceed4b235ef7970e674 (MD5) IMG_20180604_0001.pdf: 522878 bytes, checksum: b7fa478fbcdf1b45955f8a02f8403af0 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ri.bco@ufscar.br) on 2018-06-06T17:32:09Z (GMT) No. of bitstreams: 2 MuriloOliveira_dissertacao.pdf: 3213764 bytes, checksum: eaf61f839f12dceed4b235ef7970e674 (MD5) IMG_20180604_0001.pdf: 522878 bytes, checksum: b7fa478fbcdf1b45955f8a02f8403af0 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-06T17:32:18Z (GMT). No. of bitstreams: 2 MuriloOliveira_dissertacao.pdf: 3213764 bytes, checksum: eaf61f839f12dceed4b235ef7970e674 (MD5) IMG_20180604_0001.pdf: 522878 bytes, checksum: b7fa478fbcdf1b45955f8a02f8403af0 (MD5) Previous issue date: 2018-02-28 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / The aim of this work is to study the electromagnetically induced transparency (EIT) and the coherent population trapping (CPT) phenomena in three-level systems, such as atoms and quantum dot molecules (QDM). The present work can be basically divided into two parts. The first one focus on comparing and explaining the differences between the optical reponses of systems composed by atoms and QDM and on proposing a possible application in cavity linewidth narrowing. In the second part, we turn our attention to the study of controlable optical bistability in three-level systems in the regime of CPT, bringing new perspectives to the study of these bistable systems and some practical applications as well. / O presente trabalho de mestrado tem como objetivo estudar o fenômeno da transparência eletromagneticamente induzida (EIT) e do aprisionamento coerente de populações (CPT) em sistemas de três níveis, como átomos e moléculas de ponto quântico (QDM). Essa dissertação pode ser dividida basicamente em duas partes. A primeira se encarrega de comparar e explicar a origem das diferenças observadas na resposta óptica de sistemas compostos por átomos e sistemas compostos por QDM, bem como propor uma possível aplicação para o sistema de QDM no estreitamento da largura de linha de cavidades. Já a segunda parte consiste de um estudo da biestabilidade óptica controlável em sistemas de 3 de níveis no regime de CPT, trazendo novas perspectivas de estudo desses sistemas biestáveis e aplicações como sensores de pequenas flutuações de frequência ou de amplitudes de campos eletromagnéticos. / CNPq: 131392/2016-6