This thesis provides a summary of the laser system constructed in the Quantum Degenerate Gases Laboratory for laser cooling and trapping of 85/87Rband 6Li as well as of experiments that have been pursued in our lab to date. The first chapter provides an overview of the experimental focus of the QDG lab. The second and third chapters provide the fundamental theory behind laser cooling and trapping. The fourth chapter provides details of the laser system. The fifth chapter describes an experiment performed on the subject of dual-injection, performed in collaboration with Dr. James Booth of the British Columbia Institute of Technology (BCIT) involving the dual-injection of a single slave amplifier. The last chapter describes the progress made on the experimental setup needed for the study of Feshbach resonances between 85/87Rb and 6Li and the photoassociative formation of molecules.

This thesis provides a summary of the laser system constructed in the Quantum Degenerate Gases Laboratory for laser cooling and trapping of 85/87Rband 6Li as well as of experiments that have been pursued in our lab to date. The first chapter provides an overview of the experimental focus of the QDG lab. The second and third chapters provide the fundamental theory behind laser cooling and trapping. The fourth chapter provides details of the laser system. The fifth chapter describes an experiment performed on the subject of dual-injection, performed in collaboration with Dr. James Booth of the British Columbia Institute of Technology (BCIT) involving the dual-injection of a single slave amplifier. The last chapter describes the progress made on the experimental setup needed for the study of Feshbach resonances between 85/87Rb and 6Li and the photoassociative formation of molecules.

This thesis provides a summary of the laser system constructed in the Quantum Degenerate Gases Laboratory for laser cooling and trapping of 85/87Rband 6Li as well as of experiments that have been pursued in our lab to date. The first chapter provides an overview of the experimental focus of the QDG lab. The second and third chapters provide the fundamental theory behind laser cooling and trapping. The fourth chapter provides details of the laser system. The fifth chapter describes an experiment performed on the subject of dual-injection, performed in collaboration with Dr. James Booth of the British Columbia Institute of Technology (BCIT) involving the dual-injection of a single slave amplifier. The last chapter describes the progress made on the experimental setup needed for the study of Feshbach resonances between 85/87Rb and 6Li and the photoassociative formation of molecules. / Science, Faculty of / Physics and Astronomy, Department of / Graduate

Single atoms are promising candidates for physically implementing quantum bits, the fundamental unit of quantum information. We have built an apparatus for cooling, trapping and imaging single rubidium atoms in microscopic optical tweezers. The traps are formed from a tightly focused off-resonant laser beam, which traps atoms using the optical dipole force. The traps have a diameter of ~1 μm and a depth of ~1 mK. The novelty of our approach is the use a digital mirror device (DMD) to generate multiple independently movable tweezers from a single laser beam. The DMD consists of an array of micro-mirrors that can be switched on and off, thus acting as a binary amplitude modulator. We use the DMD to imprint a computer-generated hologram on the laser beam, which is converted in to the desired arrangement of traps in the focal plane of a lens. We have developed fast algorithms for calculating binary holograms suitable for the DMD. In addition, we use this method to measure and correct for errors in the phase of the wavefront caused by optical aberrations, which is necessary for producing diffraction-limited focal spots. Using this apparatus, we have trapped arrays of up to 20 atoms with arbitrary geometrical arrangements. We exploit light-assisted collisions between atoms to ensure there is at most one atom per trapping site. We measure the temperature of the atoms in the traps to be 12 μK, and their lifetime to be 1.4 s. Finally, we demonstrate the ability to select individual atoms from an array and transport them over a distance of 14μm with laser cooling, and 5 μm without.

Este trabalho descreve os métodos usados para obtenção de uma amostra ultra-fria de átomos de estrôncio. Os métodos usados para preparar a amostra são: um desacelerador Zeeman e duas armadilhas magneto-ópticas (MOT). O primeiro MOT operando na transição 1S0−1 P1 (azul) e o segundo na transição 1S0−3P1 (vermelha). Com relação ao primeiro estágio, se faz necessário o uso de um laser de comprimento de onda de 497nm, que através da transição 3P2−3D2 recuperam os átomos que sofrem transição para os chamados estados escuros. O último estágio é uma armadilha de dipolo para átomos de estrôncio usando apenas um feixe laser com comprimento de onda de 1064nm. O carregamento dessa armadilha é feito transferindo uma amostra atômica já pré-resfriadas. Explicamos de que maneira é feita a análise e aquisição dos resultados apresentados. Ressaltamos ainda a importância dos resultados obtidos para o projeto atual e para projetos futuros. / The present work describes the methods used to obtain a sample of ultra cold atoms of strontium. The methods necessary for obtaining the sample are: a Zeeman decelerator and a two step magneto-optical trap (MOTs). The first MOT works on the blue transition 1S0−1P1 while the second is operating on the red transition 1S0−3P1 transition. In the first stage a laser operating at 497nm is used to drive the 3P2−3D2 transition in order to prevent atoms accumulating in the 3P1 dark state. The last stage, after cooling, consists in a dipole trap for strontium atoms using only one laser beam with 1064nm wavelength. This trap is loaded by the transfer of a pre cooled atomic sample. We explain how the analysis and acquisition of the presented data are made. We also emphasize the importance of the obtained results for the current project as well as for future ones.

Neste trabalho estudamos o processo de ressonância colisional o que nos permitiu aumentar a taxa de formação molecular em até seis vezes. Isto foi feito variando-se a temperatura atômica de uma amostra inicialmente aprisionada em uma armadilha magneto óptica (MOT) através de um passo de resfriamento do tipo melaço óptico (molasses). Uma explicação qualitativa foi apresentada para o efeito observando as soluções das funções de ondas parciais para átomos interagentes no estado fundamental. Carregamos uma armadilha óptica de dipolo formada por um laser de Ti:Safira. Por fim, ressaltamos a importância de tais resultados para o nosso grupo de pesquisas e a sua utilização em futuros experimentos. / In this work, we study a partial wave resonance process which allows us to increase the molecule formation rate up to six times. This was done by an atomic temperature variation which was first trapped in a magneto optical trap (MOT) by applying a molasses stage. A qualitative explanation was presented for the observed effect through the partial waves solutions for ground states interacting atoms. We loaded an optical dipole trap formed by a Ti:Sapphire laser. Finally, we discuss the importance of such results for our research and their use in future experiments.

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 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.

Este trabalho descreve os métodos usados para obtenção de uma amostra ultra-fria de átomos de estrôncio. Os métodos usados para preparar a amostra são: um desacelerador Zeeman e duas armadilhas magneto-ópticas (MOT). O primeiro MOT operando na transição 1S0−1 P1 (azul) e o segundo na transição 1S0−3P1 (vermelha). Com relação ao primeiro estágio, se faz necessário o uso de um laser de comprimento de onda de 497nm, que através da transição 3P2−3D2 recuperam os átomos que sofrem transição para os chamados estados escuros. O último estágio é uma armadilha de dipolo para átomos de estrôncio usando apenas um feixe laser com comprimento de onda de 1064nm. O carregamento dessa armadilha é feito transferindo uma amostra atômica já pré-resfriadas. Explicamos de que maneira é feita a análise e aquisição dos resultados apresentados. Ressaltamos ainda a importância dos resultados obtidos para o projeto atual e para projetos futuros. / The present work describes the methods used to obtain a sample of ultra cold atoms of strontium. The methods necessary for obtaining the sample are: a Zeeman decelerator and a two step magneto-optical trap (MOTs). The first MOT works on the blue transition 1S0−1P1 while the second is operating on the red transition 1S0−3P1 transition. In the first stage a laser operating at 497nm is used to drive the 3P2−3D2 transition in order to prevent atoms accumulating in the 3P1 dark state. The last stage, after cooling, consists in a dipole trap for strontium atoms using only one laser beam with 1064nm wavelength. This trap is loaded by the transfer of a pre cooled atomic sample. We explain how the analysis and acquisition of the presented data are made. We also emphasize the importance of the obtained results for the current project as well as for future ones.

Neste trabalho estudamos o processo de ressonância colisional o que nos permitiu aumentar a taxa de formação molecular em até seis vezes. Isto foi feito variando-se a temperatura atômica de uma amostra inicialmente aprisionada em uma armadilha magneto óptica (MOT) através de um passo de resfriamento do tipo melaço óptico (molasses). Uma explicação qualitativa foi apresentada para o efeito observando as soluções das funções de ondas parciais para átomos interagentes no estado fundamental. Carregamos uma armadilha óptica de dipolo formada por um laser de Ti:Safira. Por fim, ressaltamos a importância de tais resultados para o nosso grupo de pesquisas e a sua utilização em futuros experimentos. / In this work, we study a partial wave resonance process which allows us to increase the molecule formation rate up to six times. This was done by an atomic temperature variation which was first trapped in a magneto optical trap (MOT) by applying a molasses stage. A qualitative explanation was presented for the observed effect through the partial waves solutions for ground states interacting atoms. We loaded an optical dipole trap formed by a Ti:Sapphire laser. Finally, we discuss the importance of such results for our research and their use in future experiments.