Two experiments are described. One is the successful observation of the resonant deflection of a beam of neutral potassium atoms at a frequency of 7.2 Mhz, in agreement with the predictions of the theory of the Transverse Stern-Gerlach (TGS) experiment. The other is a proposal for a charged particle Stern-Gerlach experiment, which is based on an extension of the TSG experiment to time independent, inhomogeneous magnetic fields having the form [formula omitted] If the field B₁(r) is well chosen, the charged particle trajectories are confined in a stable beam by the resulting Lorentz forces for motion generally along the z axis. This is, in fact, the principle of strong focusing which is now widely used in accelerator design. But in such a system it is also possible to satisfy the criterion for a TSG experiment, since in a frame of reference moving with a particle in the z direction, the field B₁(r) is rotating in time. / Science, Faculty of / Physics and Astronomy, Department of / Graduate

Orientador: Amir Ordacgi Caldeira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-04T01:41:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_ThiagoRodriguesde_M.pdf: 7229972 bytes, checksum: df8825145d26326f700bc04d2d767b90 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Não informado / Abstract: Not informed. / Mestrado / Física Estatística / Mestre em Física

The traditional explanation of the Stern-Gerlach effect carries with it several very subtle assumptions and approximations. We point out the degree to which this fact has affected the way we practice and interpret modern physics. In order to gain a more complete understanding of the Stern-Gerlach effect beyond the standard approximations and assumptions it typically carries, we introduce the inhomogeneous Stern-Gerlach effect in which the strong uniform field component is removed. This change allows us to easily identify precession as a critical concept. It also provides us with a means by which to study precession and analyze it critically. By applying and comparing several mathematical techniques to this problem we gain insight into the applicability of precession arguments and the role of standard approximations and assumptions in both analytic derivation and interpretation. This approach also allows for a more general discussion regarding the use of representations in physics and teaching.

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We analyze a coincidence Stern-Gerlach measurement often discussed in connection with the derivation and illustration of Bell's theorem. The treatment is based on our recent analysis of the original Stern-Gerlach experiment (PCCP, 14, 1677‐1684 (2012)), where it is concluded that it is necessary to include a spin relaxation process to account for the experimental observations. We consider two limiting cases of a coincidence measurement using both an analytical and a numerical description. In on limit relaxation effects are neglected. In this case the correlation between the two spins present in the initial state is conserved during the passage through the magnets. However, at exit the z coordinate along the magnetic field gradient is randomly distributed between the two extreme values. In the other limit T2 relaxation is assumed to be fast relative to the time of flight through the magnet. In this case the z coordinate takes one of two possible values as observed in the original Stern‐Gerlach experiment. Due to the presence of a relaxation process involving transfer of angular momentum between particle and magnet the initially entangled spin state changes character leading to a loss of correlation between the two spins. In the original derivations of Bell's theorem based on a coincidence Stern‐Gerlach setup one assumes both a perfect correlation between the spins and only two possible values for the z‐coordinate on exit. According to the present calculations one can satisfy either of these conditions but not both simultaneously.

I derive and apply quantum propagator techniques to atomic and condensed matter systems. I observe many interesting features by following the evolution of a wavepacket. In atomic systems, I revisit the Stern-Gerlach effect and study the spin dynamics inside an inhomogeneous magnetic field. The results I obtained are not exactly the same as the textbook description of the effect which is usually a manifestation of a perfect space and spin entanglement. This discovery can provide insight on more reliable quantum computation device designs. In condensed matter systems, the doping concentration inhomogeneity leads to the Rashba spin-orbit interaction. This makes it possible to control the spin without the external magnetic field. By propagating the wave packet in systems exhibiting Rashba spin-orbit interactions, I discover several features such as spin separation, spin accumulation, persistent spin-helix, and ripple formation.

Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: In the current design of the high temperature gas cooled reactor, a small fraction of coated fuel particles will be defective. Hence, 110Ag may be released from the fuel spheres into the coolant gas (helium) and plate out on the cooler surfaces of the main power system. This poses a radiation risk to operating personnel as well as general public. The objectives of this thesis were to design and construct an apparatus in which silver-109 atoms may be produced and deflected in an inhomogeneous and homogeneous magnetic field, compare experimental and theoretical results, and make a recommendation based on the findings of this thesis to the idea of removing silver-110 atoms from the helium fluid by deflecting them with an inhomogeneous magnetic field onto target plates situated on the inner perimeter of a helium pipe. The experimental results for the deflection of the collimated Ag- atoms with the round-hole collimators showed a deflection of 1.77° and 2.05° of the Ag- atoms due to an inhomogeneous magnetic field when the target plate was positioned 13 and 30 mm away from the magnet, respectively. These values were considerably greater than 0.01° and 0.02° that were calculated for the average velocity of atoms, v = 500 m/s. The case where Ag- atoms were collimated with a pair of slits and the target plate positioned 13mm away from the magnet showed the following: An inhomogeneous magnetic field changes the rectangular shape of the beam to a roughly elliptical shape. The beam of Ag- atoms was not split into two separate beams. This was caused by the beam of Ag- atoms consisting of atoms travelling at different speeds. The maximum deflection of Ag- atoms was 1.16° in the z direction and 1.12° in the x direction. These values were also significantly greater than 0.01 mm calculated at v = 500 m/s. This huge difference between the theoretical and experimental results raised a conclusion that the size of each Ag deposit depended mostly on the exposure time that was given to it. It was noticed that the beam of Ag- atoms was not split into two separate beams, in both cases. The conclusion was that the technique of removing Ag- atoms from the helium stream by means of an inhomogeneous magnetic field may not be effective. This is due to the inability of the inhomogeneous magnetic field to split the beam of Ag- atoms into two separate beams in a vacuum of ~10-5 mbar. It would be even more difficult for an inhomogeneous magnetic field to split the beam of Ag- atoms in helium, due to the Ag- atoms having a shorter mean free path in helium compared to a vacuum. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In die huidige ontwerp van die hoë temperatuur gas afgekoelde reaktor, is 'n klein fraksie van omhulde brandstof deeltjies foutief. 110Ag kan dus vrygestel word vanaf die brandstof sfere in die verkoelingsgas (helium) wat dan op die koeler oppervlaktes van die hoofkragstelsel presipiteer. Hierdie 110Ag deeltjies hou 'n bestraling risiko vir die bedryfpersoneel sowel as vir die algemene publiek in. Die doelwitte van hierdie verhandeling is eerstens om 'n apparaat te ontwerp en konstrueer wat silwer-109 atome produseer en nie-homogene en homogene magnetiese velde deflekteer,. Tweedens om die eksperimentele en teoretiese resultate met mekaar te vergelyk. Derdens om 'n aanbeveling te maak gebasseer op die bevindinge van hierdie verhandeling rakende die verwydering van silwer-110 atome uit die helium vloeistof deur hulle met 'n nie-homogene magneetveld te deflekteer op die teikenplate binne-in 'n helium pyp. Die eksperimentele resultate vir die defleksie van die gekollimeerde Ag-atome met die ronde gat kollimators toon ‘n defleksie van 1.77° en 2.05° van die Ag-atome as gevolg van ‘n nie-homogene magneetveld wanneer die teikenplaat 13mm en 30mm, onderskeidelik, vanaf die magneet geposisioneer is. Hierdie waardes is aansienlik groter as die teoretiese defleksies van 0.01° en 0.02o wat bereken is vir ‘n gemiddelde snelheid van 500 m/s vir die atome. Die geval waar Ag-atome met 'n paar splete gekollimeer is en die teikenplaat 13 mm weg van magneet geposisioneer is, is die volgende resultate verkry: 'n nie-homogene magneetveld verander die reghoekige vorm van die bondel na 'n rowwe elliptiese vorm. Die bondel Ag-atome is nie volkome twee afsonderlike bundels verdeel nie. Dit is omdat die bondel van Ag-atome bestaan uit atome wat teen verskillende snelhede beweeg. Die maksimum defleksie van Ag-atome is 1.16° in die z-rigting en 1.12° in die x-rigting. Hierdie waardes is ook aansienlik groter as 0.01° bereken teen 500 m/s. Hierdie groot verskil tussen die teoretiese en eksperimentele resultate dui daarop dat die grootte van elke Ag neerslag grootliks afhanklik is van die blootstellingstyd wat daaraan gegee is. Daar is vasgestel dat die straal van Ag-atome in beide gevalle nie in twee afsonderlike bondels verdeel nie. Die gevolgtrekking is dat die tegniek van die verwydering van Ag-atome uit die helium stroom deur middel van 'n nie-homogene magneetveld nie effektief is nie. Dit is te wyte aan die onvermoë van die nie-homogene magneetveld om die bondel Ag-atome te verdeel in twee afsonderlike bondels in 'n vakuum van ~ 10-5 mbar. Dit sou selfs nog moeiliker vir 'n nie-homogene magnetiese veld wees om die bundel Ag-atome in helium te verdeel, weens die korter gemiddelde beskikbare pad van Ag-atome in helium wanneer dit met 'n vakuum vergelyk word.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des résonances de galerie de très haute surtension observées sur des microsphères de silice d'un diamètre voisin de 100μm. Ces résonances correspondent à des modes de propagation du champ le long d'un anneau équatonal dont les dimensions transversales sont de l'ordre de la longueur d'onde. Les pertes de ces modes guidés sont extrêmement faibles. Ils offrent donc une combinaison remarquable d'une très forte localisation du champ dans un tout petit volume et de très longs temps de vie pour les photons. Ces propriétés en font des résonateurs de choix tant pour de nombreuses applications pratiques que pour des expériences d'Électrodynamique Quantique en cavité. Le mémoire de thèse présente les propriétés de ces résonances, décrit leur observation expérimentale par spectroscopie laser et analyse quelques perspectives ouvertes par ces études en physique appliquée et fondamentale. Les possibilités d'utiliser ces modes de galerie pour asservir en phase un laser à diode ou pour fabriquer des lasers microscopiques sont envisagées. Une expérience de déflexion d'atomes froids dans l'onde évanescente associée à un mode de galerie est également étudiée. Une telle expérience devrait permettre de mettre en évidence la nature discrète de l'intensité d'un champ lumineux constitué de quelques photons et réaliser une mesure dispersive de tous petits champs optiques

Ce travail relate la construction et les premiers résultats obtenus avec un interféromètre atomique Stern-Gerlach fonctionnant avec un jet supersonique d'atomes d'argon métastable, de moment angulaire 2, préparé et sélectionné en spin par lasers. Ses performances sont comparées à celles d'un interféromètre du même type fonctionnant avec un jet hyperthermique d'atomes d'hydrogène métastable, de moment angulaire 1. Pour réaliser un interféromètre Stern-Gerlach, il faut disposer d'une enceinte à vide traversée par un jet d'atomes polarisés puis analysés en spin après une évolution dans une zone de champ magnétique bien contrôlé. Ceci est réalisé par l'usage de diodes lasers asservies sur des raies atomiques associées à une optique fibrée. Les transitions choisies étaient fixées autour de 812 nm en polarisation sigma et 801 nm en polarisation pi. La zone de champ magnétique du coeur de l'interféromètre est réalisée par un circuit magnétique centré sur l'axe du jet atomique, protégé par un blindage magnétique. En employant un détecteur sensible à la position, nous avons mis en évidence la grande sensibilité de ce dispositif lorsqu'on emploie un jet supersonique à la place d'un jet effusif. Le signal interférométrique dépend alors bien plus finement des détails du profil magnétique. Cette propriété est mise en évidence par l'apparition dans les figures d'interférences de structures inattendues liées aux effets de phase géométrique traduisants l'évolution du spin 2 dans un champ magnétique conique. Ces résultats permettent de guider la réflexion sur l'application de cet interféromètre, tant vers des expériences visant la nanolithographie, qu'à des études plus fondamentales sur les phases quantiques, prolongeant les études déjà réalisées sur l'hydrogène.

Ce travail porte sur l’étude et la réalisation d’une nouvelle technique de décélération d’un jet supersonique de particules paramagnétiques en utilisant une onde de champ magnétique progressive co-mobile. Cette technique repose sur une méthode de ralentissement basée sur les forces de type Stern Gerlach agissant sur un système paramagnétique en mouvement en présence d’un champ magnétique co-propageant. Cette méthode très innovatrice a l’avantage de pouvoir s’appliquer à une grande palette d’espèces ouvrant ainsi de nouvelles possibilités d’applications. On décrit une approche théorique adaptée qui permet de faire un lien direct entre la théorie, la programmation des paramètres expérimentaux, les résultats obtenus et ce d’une manière systématique, rationnelle et prédictive.Ce mémoire est composé de trois parties. La première porte sur les forces décélératrices et le calcul des différentes forces, de type Stern Gerlach, utilisées dans nos expériences. Les formules établies dans cette partie sont essentielles pour l’interprétation des résultats expérimentaux. La deuxième partie porte sur le dispositif expérimental : le jet supersonique pré-refroidi, la zone d’interaction et la détection. On donne le détail de la réalisation des circuits créant les champs magnétiques nécessaires au guidage et à la décélération du jet. La troisième partie porte sur les résultats des expériences réalisées et leur interprétation directement à partir des équations du mouvement de l’effet Stern Gerlach. Des simulations sont présentées pour étayer les interprétations. On présente les résultats de décélération obtenus récemment sur l’argon et le néon métastables. Ces résultats valident clairement l’importance de l’ajout d’un champ magnétique uniforme qui définit un axe de quantification adiabatique global pour toutes les particules du jet et permet le découplage entre la précession des moments magnétiques et l’action des forces de gradient. Ces résultats mettent en évidence, aussi, l’effet de polarisation du jet qui dépend du sens relatif du champ magnétique uniforme ajouté par rapport à l’onde de champ magnétique progressive.Enfin, la compréhension et le contrôle de la dynamique du piégeage à une vitesse donnée, de l’accélération et de la décélération nécessitent le découplage entre les effets transverses et les effets longitudinaux de l’onde. Ces derniers sont clairement visibles quand le champ magnétique uniforme ajouté vient limiter les effets transverses de l’onde de champ magnétiques progressive. Les perspectives pour ce nouveau décélérateur Zeeman Stern Gerlach sont grandes. Un premier résultat de piégeage du di-azote métastable à 560m/s est présenté et ceci ouvre la voie pour décélérer les molécules paramagnétiques en jet supersonique pulsé. La décélération des radicaux libres et des neutrons est aussi envisageable. / This work focuses on the study and implementation of a new technique of deceleration of a supersonic beam of paramagnetic particles using a co-moving progressive wave of magnetic field. This technique relies on a method of slowing based on Stern-Gerlach forces acting on a paramagnetic system in motion in the presence of a co-propagating magnetic field. This highly innovative approach has the advantage of being applicable to a wide range of species and opens up new opportunities. A suitable theoretical approach is followed, that allows for a direct link between theory, programming of experimental parameters, and experimental results in a systematic, rational and predictive manner.This thesis is composed of three parts. The first concerns the calculation of the various Stern Gerlach forces used in our experiments to decelerate the paramagnetic particles. Formulas established in this section are essential for the interpretation of experimental results. The second part is devoted to the experimental device: the creation of the cooled supersonic beam, interaction zone and detection. A separate chapter is devoted to the detailed description of the different setups of coils used to create the magnetic fields necessary to guide and to decelerate the particles of the beam.The third part is devoted to the experimental results and their direct interpretation using the equations of motion in Stern Gerlach forces. Simulations are presented to embody the interpretations. We present results about the deceleration of metastable argon and neon atoms. These results validate the significance of the addition of a uniform magnetic field defining a global adiabatic quantization axis for all the particles in the beam. This realizes the decoupling between the precession of the magnetic moments and Stern Gerlach forces. The results demonstrate the polarization effect of the beam that depends on the direction of the added uniform magnetic field relative to the progressive wave of the magnetic field.Finally, the understanding and control of the dynamics of trapping at a given speed, acceleration and deceleration require decoupling between the transverse and longitudinal effects of the wave. These effects are clearly visible when the added uniform magnetic field limits the transverse effects of the progressive wave of magnetic field. The outlooks for the new Zeeman Stern Gerlach decelerator are numerous. A first result of trapping di-nitrogen metastable at 560m/s is presented and the road is open to decelerate paramagnetic molecules in pulsed supersonic jet. Deceleration free radicals and neutrons are also possible.