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.

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.

This thesis reports an optical dipole trap for atomic calcium. The dipole trap is loaded from a magneto-optical trap (MOT) of calcium atoms cooled near the Doppler limit (~1 mK). The dipole trap is formed by a large-frame argon ion laser focused to 20 microns into the center of the MOT. This laser runs single-line at 488 nm with a maximum power of 10.6 watts. These parameters result in a trap of 125 mK for calcium atoms in the 4s3d 1D2 state. The 488 nm light also photo-ionizes the trapped atoms due to a near-resonant transition to the 4s4f 1F3 level. These ions leave the trap and are detected to determine the trap decay rate. By measuring this decay rate as a function of 488 nm intensity, we determine the 1F3 photo-ionization cross section at this wavelength to be approximately 230 Mb.

I present the construction of a low-velocity intense source (LVIS) of laser-cooled neutral strontium using permanent ring magnets. The LVIS consists of a magneto-optical trap from which cold strontium is extracted in a well-collimated beam. I also present the development and implementation of a full suite of low-noise, high-bandwidth laser control electronics including a microcontroller unit. This microcontroller remotely controls and monitors the current driver, temperature controller, and PID lock circuit for each diode laser simultaneously. The current driver output is accurate to within 2 micro-amps and repeatable to with a few nano-amps. The noise spectral density of the current driver hits a floor of 10^(-10) amps per root Hz at ~50 Hz and has a modulation bandwidth of ~50 MHz. The PID lock-circuit includes a scan-balancing option that we have used to scan an AR coated laser diode ~30 GHz mode-hop free. I describe the construction of an 80 mW frequency doubled 461 nm laser system using PPKTP for cooling and trapping neutral strontium in the LVIS. The LVIS, the electronics systems, and the 461 nm laser system represent major milestones on the way to producing a matter-wave interferometer using Sr-87 ions. The interferometer is based on an optical Raman transition between the hyperfine ground states of the Sr-87 ion. The ions will be produced by exciting the strontium LVIS beam to an auto-ionizing state in the continuum. In the interferometer two half-pi pulses of light and one pi pulse will be delivered to the ions to split and recombine their wave functions. I present calculations of the predicted sensitivity and a discussion of the possible applications. I present a method for locking a 407.8 nm laser to the 5s doublet S J=1/2 to 5p doublet P J=3/2 strontium ion transition in a neutral vapor. I present calculations for the necessary vacuum levels for the experiment and describe the preparation and assembly of the vacuum apparatus. The major vacuum system consists of two connected elastomer sealed chambers: one at 10^(-7) Torr and the other at 10^(-10) Torr separated by a region of low conductance. I present a Sr vapor cell constructed from standard CF fittings that allows the strontium to be heated to ~730 C, which can also be run as a thermal beam. I present a method for protecting the viewports on small-form alkali-earth vapor cells using lead or indium foil during the evaporation of oxide layers. Finally, I report on the current status of the experiment as well as detail future work on the apparatus.

This thesis describes the design, construction and optimisation of two compact setups to produce ⁸⁷Rb Bose-Einstein condensates and dual ⁷Li-⁸⁷Rb Magneto- Optical Traps (MOTs). The motivation for compact systems is to have simplified systems to cool the atoms. The first experimental setup is based on a single pyrex glass cell without the need for atom chips. Fast evaporation will be achieved in a hybrid trap comprising of a magnetic quadrupole trap and an optical dipole trap created by a Nd:YVO4 laser and with future plans of using a Spatial Light Modulator (SLM). To enhance an efficient and rapid evaporation, we have investigated Light-Induced Atomic Desorption (LIAD) to modulate the Rb partial pressure during the cooling and trapping stage. With this technique, a ⁸⁷Rb MOT of 7 x 10⁷ atoms was loaded by shining violet light from a LED source into the glass cell, whose walls are coated with rubidium atoms. The atoms were then cooled by optical molasses and then loaded into a magnetic trap where lifetime measurements demonstrated that LIAD improves on magnetically-trapped atoms loaded from constant background pressure by a factor of six. This is quite encouraging and opens the possibility to do a rapid evaporation. In a second experiment, we have designed a compact system based on a stainless steel chamber to trap either ⁷Li or ⁶Li atoms in a MOT loaded from alkali-metal dispensers without the need of conventional oven-Zeeman slower. This setup can also load ⁸⁷Rb atoms, allowing future projects to simultaneously produce degenerate quantum gases of bosonic ⁸⁷Rb and fermionic ⁶Li atoms.

Uma análise dos processos colisionais homonucleares e heteronucleares, responsáveis por perdas em uma armadilha magneto-óptica, foi realizada neste trabalho. Resultados experimentais inéditos para as taxas de perdas, no sistema Rb-Cs, foram obtidos. Os dados experimentais em conjunto com os resultados do modelo sugerem que o processo de escape radiativo é dominante. O modelo utilizado é muito sensível à profundidade da armadilha, a qual depende de outros parâmetros (intensidade, dessintonia, gradiente de campo magnético, etc.). A colaboração com pesquisadores italianos possibilitou uma análise mais detalhada das taxas de perdas heteronucleares em outras regiões de intensidade. Estudamos a dependência das taxas heteronucleares com a razão das massas do par atômico, e uma razoável concordância foi observada. O estudo de processos colisionais em armadilhas magneto-ópticas é importante na obtenção do condensado de BoseEinstein com duas espécies atômicas distintas, e também em experiências de espectroscopia fotoassociativa. / In this work, we had investigated the heteronuclear trap loss rate in a two-species Rb-Cs magneto-optical trap. The experimental results suggest that radiative escape is the main collisional process responsible for heteronuclear losses. An addapted Gallagher - Pritchard model is compared with the data. The model is very sensitive to the trap depth, which depends on the trap parameters (intensity, detuning, magnetic - field gradient, etc.) This observation is also supported by experimental results from a Pisa\' group. We have compared experimental of heteronuclear rates as a function of the masses ratio of the atomic pair with the model, and a reasonable agreement is observed. These studies are relevant for high resolution atomic / molecular spectroscopy, and for the production of mixed - species Bose-Einstein condensates.

Neste trabalho estudamos a interação entre átomos de Rydberg no estado nP e sua dependência com o campo elétrico dc. Estes estados apresentam ressonâncias Föster para um número quântico principal n menor que 37. Nestes processos de ressonância um par atômico no estado nP muda para um par nS+(n+1)S. Realizamos dois experimentos de evolução temporal para 32&le;n&le;36. No primeiro investigamos a dependência da taxa de transferência de população NnS em função do número quântico principal n. E no segundo estudamos a transferência de população para um estado fixo de n=33 em função do campo elétrico. Além disso, estudamos a dependência da população no estado 33S em função da densidade de átomos de Rydberg no estado 33P. Estes resultados nos permitem observar duas contribuições distintas, uma linear relacionada a radiação de corpo negro e uma quadrática ligada a interação de dois corpos. Estes resultados confirmam o modelo de taxa para o efeito da radiação de corpo negro. / In this work we studied the role of Rydberg atoms interactions in the nP state and the dc electric field dependency of this process. The nP state shows Föster resonances for principal quantum number less than 37. In this resonance process, an atomic pair in nP state changes to a pair nS+(n+1)S. We have performed two time evolution experiments for 32&le;n&le;36. In the first one we have investigated the NnS population transfer rate for a variable principal quantum number n. In the second we have study the population transfer for a fixed n=33, by varying an electric field. Moreover, we observed the density dependency of the population in the 33S state by varying the nP state atomic density. The results allow us to observe two distinct contributions, a linear contribution related with the black body radiation and a quadratic one connected with two body process. The results agree well with the rate model used to treat the black body radiation.

Neste trabalho estudamos o processo de foto-ionização associativa(PAI) em uma amostra fria de átomos de sódio com o objetivo entender os efeitos dos estados repulsivos e dimensão da colisão. Realizamos experimentos de PAI com duas cores em uma armadilha magneto-óptica adicionando um feixe de prova com intensidade, frequências e polarização ajustáveis. O formato dos átomos aprisionados também foi uma das variáveis no estudo da PAI. Para os átomos em formação esférica, observamos uma mudança marcante no comportamento da constante de taxa de formação da foto-ionização associativa(K) para um determinado domínio de frequências, e essa mudança no comportamento pode ser atribuída a participação de estados moleculares repulsivos na PAI e a formação de um possível cruzamento evitado entre os níveis moleculares. No atomotron ,armadilha atômica em forma de anel, variamos a polarização do laser de prova e constatamos que a razão entre K das polarizações paralela e perpendicular ao movimento dos átomos é igual a 4. Uma comparação entre K do atomotron e o da armadilha esférica em função da intensidade do feixe de prova, nos mostrou uma diferença no comportamento e no valor da constante de taxa. / Photoassociative ionization (PAI) in a cold sample of sodium atoms was the main subject of our studies as a way to understand the effects of repulsive states and collision dimensions. Two-color PAI experiment were preformed in a magneto-optical trap (MOT) trough the addition of a probe laser beam, the intensity, polarization and frequency of that probe laser were tunable. The shape of the trapped atoms also could be changed. In a spherical shape MOT, we observed a marked change in the PAI rate constant (K) for a definite frequency range, and that change can be attributed to the influence of repulsive molecular states and the a possible formation of an avoided crossing between molecular levels. In atomotron, ring shaped mot, we changed the polarization of the probe beam, and saw that the ratio between K for a polarization parallel to the atoms motion and a perpendicular one is 4. Comparing the K as a function of the intensity between a spherical shaped mot and atomotron showed us a difference in the behavior and the value of the rate constant.

Usando a técnica de resfriamento evaporativo para átomos comprimidos numa armadilha magnética tipo QUIC, implementamos experimentos para observar Condensação de Bose-Einstein de átomos de sódio. Nessa armadilha magnética temos átomos advindos de uma armadilha magneto-óptica, a qual é carregada por um feixe desacelerado como etapa de pré-resfriamento. Nossas medidas foram baseadas em imagens de absorção fora de ressonância de um feixe de prova pela amostra atômica. Essas imagens foram feitas in situ, ou seja, na presença do campo da armadilha magnética, pelo fato do número de átomos ser baixo e a técnica de tempo de vôo não ser adequada a essa situação. Baseado no perfil de densidade e na temperatura medidos, calculamos a densidade de pico no espaço de fase D, a qual é seguida nas várias etapas de evaporação. Nossos resultados mostram que para uma freqüência final de evaporação de 1,65 MHz nós superamos o valor esperado para D (2,612) alcançar o ponto crítico, no centro da amostra, para obter a condensação. Devido ao baixo número de átomos restantes no potencial, a interação não produz efeitos consideráveis e dessa forma um modelo de gás ideal permite justificar essa observação. / Using a system composed of a QUIC trap loaded from a slowed atomic beam, we have performed experiments to observe the Bose-Einstein Condensation of Na atoms. In order to obtain the atomic distribution in the trap, we use an in situ out of resonance absorption image of a probe beam to determine the temperature and the density, which are use to calculate the phase space D. We have followed D as a function of the final evaporation frequency. The results show that at 1.65 MHz we crossed the critical value for D which corresponds to the point to start Bose-Condensation of the sample. Due to the low number of atoms remaining in the trap at the critical point, the interaction produce minor effects and therefore an ideal gas model explains well the observations.

Este trabalho relata o desenvolvimento de todo o aparato experimental para a realização de aprisionamento de césio através de uma armadilha magneto-óptica. As fontes de luz neste processo foram os lasers de diodo e todo seu sistema para operação, estabilização e redução da largura de linha foi construído. As medidas das constantes de mola e amortecimento foram realizadas como função dos parâmetros característicos das armadilhas de césio e de sódio. Também realizamos outros experimentos com átomos aprisionados de sódio na presença de duas freqüências, linha D1 e D2. A primeira medida constitui na obtenção da taxa de colisões entre átomos aprisionados na linha D1 e depois foi realizado observações de uma nova estrutura operando neste regime. / This thesis describes the development of a complete experimental setup for trapping cesium by a magneto-optical trap (MOT). In this work we have employed diode lasers as light sources and built the entire system for their operation, stabilization and linewidth reduction. We have measured the MOT spring and damping constants as functions of the characteristic parameters of the cesium and sodium traps. We have also carried out two other experiments on trapped sodium atoms operating in the simultaneous presence of the D1 and D2 line frequencies. The first experiment has established the collision rate of trapped atoms in the D1 line MOT and the second has allowed us to observe a new structure operating in this two-frequency regime.