<p>This research presents the development of a phase-based lithographic system for three-dimensional micropatterning and manipulation. The system uses a spatial light modulator (SLM) to display specially designed phase holograms. The use of holograms with the SLM provides a novel approach to photolithography that offers the unique ability to operate in both serial and single-shot modes. In addition to the lithographic applications, the optical system also possesses the capability to optically trap microparticles. New advances include the ability to rapidly modify pattern templates for both serial and single-shot lithography, individually control three-dimensional structural properties, and manipulate Janus particles with five degrees of freedom.</p><p>A number of separate research investigations were required to develop the optical system and patterning method. The processes for designing a custom optical system, integrating a computer aided design/computer aided manufacturing (CAD/CAM) platform, and constructing series of phase holograms are presented. The resulting instrument was used primarily for the photonic excitation of both photopolymers and proteins and, in addition, for the manipulation of Janus particles. Defining research focused on the automated fabrication of complex three-dimensional microscale structures based on the virtual designs provided by a custom CAD/CAM interface. Parametric studies were conducted to access the patterning transfer rate and resolution of the system.</p><p>The research presented here documents the creation of an optical system that is capable of the accurate reproduction of pre-designed microstructures and optical paths, applicable to many current and future research applications, and useable by anyone interested in researching on the microscale.</p> / Dissertation

This dissertation details the development and experimental implementation of single-photon atomic cooling. In this scheme atoms are transferred from a large-volume magnetic trap into a small-volume optical trap via a single spontaneous Raman transition that is driven near each atom's classical turning point. This arrangement removes nearly all of an atomic ensemble's kinetic energy in one dimension. This method does not rely on a transfer of momentum from photon to atom to cool. Rather, single-photon atomic cooling achieves a reduction in temperature and an increase in the phase-space density of an atomic ensemble by the direct reduction of the system's entropy. Presented here is the application of this technique to a sample of magnetically trapped ⁸⁷Rb. Transfer efficiencies between traps of up to 2.2% are demonstrated. It is shown that transfer efficiency can be traded for increased phase-space compression. By doing so, the phase-space density of a magnetically trapped ensemble is increased by a factor of 350 by the single-photon atomic cooling process. / text

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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.

Dans la première partie de cette thèse, nous étudions la cinétique de la complexation d'un double brin d'ADN par la protéine NCp7. Pour ce faire, nous étudions l'évolution des propriétés mécaniques de l'ADN au fur et à mesure de sa complexation, en étirant la complexe ADN/NCp7 à l'aide d'un montage de piégeage optique. Nous avons observé que la longueur de persistance du complexe diminue au fur et à mesure de la complexation. En utilisant un modèle statistique décrivant l'évolution de la flexibilité de l'ADN complexé par NCp7. Notre principal résultat est que la fraction//phi de paires de bases ayant réagi n'est pas une fonction linéaire du temps aux faibles //phi. Nous interprétons nos résultats en supposant que l'adsorption de NCp7 sur l'ADN est fortement coopérative. Dans deuxième chapitre, nous décrivons la dynamique de particules sondes dans une suspension vitreuse colloïdale de Laponite. La Laponite est une particule colloïdale discoïdale de 25nm de diamètre et de 0.92 nm d'épaisseur. Nous utilisons une expérience de microscopie en onde évanescente, et suivons le mouvement de particules fluorescentes de latex. Nous imageons ensuite ces particules. Nous montrons que, pour un mouvement possédant une seule échelle de temps caractéristique, elle est simplement une fonction linéaire du temps. Nous obtenons que, quelle que soit leur taille, le mouvement des particules sondes peut être décrit par une succession de deux modes dynamiques, où le mode le plus rapide correspond à la diffusion des particules dans un fluide viscoélastique. / In the first part of this thesis, we study the kinetics of the complexation of a double-stranded DNA byNCp7 protein. To do this, we study the evolution of mechanical properties of DNA and its complexation by stretching the DNA/NCp7 complex with a optical trap. We observed that the persistence length of the complex decreases progressively during the complexation. Using astatistical model we describe the evolution of the flexibility of DNA complexed with NCp7. Our main result is that the fraction phi of base pairs that have reacted is not a linear function of time at low phi.We interpret our results assuming that the adsorption of NCp7 on DNA is highly cooperative. In the second chapter, we describe the dynamics of probe particles in a colloidal glassy suspension of Laponite. Laponite is a colloidal discoidal particle of 25 nm in diameter and 0.92 nm thick. We take advantage of evanescent wave microscopy, and follow the movement of fluorescent latex particles.Then we image these particles. We show that for a movement that has a single characteristic time scale, it is simply a linear function of time. We find that, what ever their size, the motion of probe particles can be described by a succession of two dynamic modes, where the fastest mode corresponds to the diffusion of particles in a viscoelastic fluid.

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.

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.

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.