Bedrifters samfunnsansvar ved tusenårsskiftet

Feixe

transmitido

Feixe Drive

Figura 5.2: _{Esquema da cavidade ´optica. Um feixe de laser, drive(explicado ao longo} do texto), incide sobre a cavidade. Essa luz entra na cavidade e interage com ´atomos em seu interior. Luz, parte dela devido ao feixe de laser incidente e parte devido a decaimentos espontˆaneos dos ´atomos, ´e transmitida pela cavidade. A constante g representa a constante de acoplamento entre os ´atomos e a luz dentro da cavidade, k representa a taxa de decaimentos da cavidade e γ a taxa de emiss˜oes espontˆaneas [72],

respectivamente.

O sistema utilizado neste experimento ´e composto de uma fonte de ´atomos frios [73] e de cavidade ´optica no regime da eletrodinˆamica quˆantica (QED)2_{[74] com acoplamento}

intermedi´ario. Neste regime, a constante de acoplamento de dipolo entre o ´atomo e a luz dentro da cavidade3 _{g/2π = 1.5 M Hz ´e compar´avel com a taxa de decaimento da}

cavidade, k/2π = 3.0 M Hz, e com a taxa de emiss˜oes espontˆaneas, γ/2π = 6.07 M Hz,

2_{Neste regime ´e poss´ıvel estudar a intera¸c˜ao entre luz e ´atomos dentro de uma cavidade ´optica onde}

a natureza quˆantica da luz ´e significante [74].

3_{g =} d·E

~ onde d ´e o momento de dipolo el´etrico e E =

q _~

ω

2ǫ0Vef ´e o campo el´etrico de um f´oton em

como ilustrado na Figura 5.2. Esta cavidade consiste de uma cavidade ´optica com separa¸c˜ao entre os espelhos de 2 mm, com 56 µm de largura do modo, do qual dois modos de polariza¸c˜ao ortogonais, H e V, ressonantes com a linha D2 dos ´atomos de 85_{Rb se propagam em seu interior.}

cavidade

AMO

Figura 5.3: _{Esquema das cˆamaras a v´acuo onde est˜ao a AMO e a cavidade ´optica.} A cˆamara superior representa a regi˜ao onde esta situada a armadilha magneto-´optica. As duas bobinas s˜ao utilizadas para a gera¸c˜ao do campo magn´etico utilizado para aprisionar o ´atomos. A abetura circular representa uma janela, das 5 existentes, por onde passam os feixes de laser para refriar os ´atomos. ´Atomos resfriados na AMO

seguem em dire¸c˜ao a cavidade que se encontra localizada na cˆamara inferior.

´

Atomos de 85Rb s˜ao confinados por uma armadilha magneto-´optica situada a 7.5 cm acima da cavidade, e posteriormente, s˜ao encaminhados para a cavidade pelo processo de gera¸c˜ao do feixe de ´atomos frios LVIS [42], como explicado na se¸c˜ao2.3.2.1. A Figura5.3 mostra um esquema da estrutura da cˆamara a v´acuo e da cavidade QED. A cˆamara superior representa a cˆamara a v´acuo utilizada para a AMO. ´E nesta cˆamara onde os ´atomos s˜ao confinados. As duas bobinas laterais representam as bobinas que s˜ao utilizadas para criar o campo magn´etico para a AMO. Na cˆamara inferior est´a a regi˜ao onde se encontra a cavidade ´optica.

O feixe atˆomico resultante gerado pelo processo LVIS possui uma velocidade m´edia em torno de 15 m/s dependendo dos parˆametros da AMO. O aparato ainda possui a possibilidade de promover opticamente ´atomos para o estado fundamental F = 3, m = 0 antes de entrar na cavidade (detalhes s˜ao apresentados na se¸c˜ao 5.7). Um pequeno campo magn´etico, 5 Gauss, determina o eixo de quantiza¸c˜ao alinhado com a polariza¸c˜ao vertical (V) do feixe de laser chamado Drive (explicado abaixo).

(g) (h) (i) (d) (e) (f) (a) (b) (c)

{

}

Figura 5.4: _{N´ıveis magn´eticos dos estados fundamental F = 3 e excitado F = 4. (a)} mostra os n´ıveis magn´eticos dos estados fundamental e excitado dos ´atomos de 85_Rb sem a influˆencia de um campo magn´etico. Em (b) estes n´ıveis est˜ao na presen¸ca de um campo magn´etico externo e, consequentemente, por efeito Zeeman, um deslocamento de ∆g em rela¸c˜ao ao n´ıvel g0e ∆eem rela¸c˜ao a e0ocorre. Devido `a incidˆencia de um feixe de laser na cavidade ´optica ocorre um deslocamento dos n´ıveis magn´eticos dos n´ıveis g±(e±), (c), de modo que uma diminui¸c˜ao da distˆancias entre os n´ıveis deslocados ´e observada (d). Em (e) vemos que inicialmente o ´atomo est´a no n´ıvel fundamental g0 e que atrav´es de transi¸c˜oes π este ´atomo ser´a promovido para o estado e0. Atrav´es de um decaimento espontˆaneo, (f), o ´atomo pode ir para o n´ıvel g−1 ou g+1 emitindo um f´oton com polariza¸c˜ao circular. Devido ao feixe de laser existente, outra transi¸c˜ao π pode ocorrer (g). Por causa do espalhamento Rayleigh, (h), o estado de superposi¸c˜ao criado perde coerˆencia. E finalmente atrav´es da detec¸c˜ao de um segundo f´oton com

polariza¸c˜ao H o ´atomo ´e projetado novamente no estado inicial (i) [75].

A Figura 5.4 apresenta esquematicamente a intera¸c˜ao ocorrida entre os ´atomos de 85Rb e os modos da cavidade durante seu trajeto dentro da cavidade. Est˜ao repre- sentados apenas os trˆes principais estados magn´eticos dos n´ıveis F = 3 e F = 4 mas na realizadade estes n´ıveis possuem 7 e 9 n´ıveis magn´eticos, como mostrado na Figura

2.6 e discutido na se¸c˜ao 2.2. A omiss˜ao destes n´ıveis na Figura 5.4 se deve ao fato de que as transi¸c˜oes entre os estados magn´eticos mostrados s˜ao muito mais prov´aveis de acontecer do que os estados adjacentes [38]. O feixe de ´atomos frios interage com os dois modos ortogonais de polariza¸c˜ao da luz ressonantes com a cavidade ´optica e, devido ao campo magn´etico existente, os n´ıveis magn´eticos dos n´ıveis eletrˆonicos 5S_1/2, F = 3 e

5P3/2, F = 4 que inicialmente est˜ao degenerados (Fig. 5.4(a)) sofrem um deslocamento

(efeito Zeeman [38]) quebrando a degenerescˆencia existente (Fig. 5.4(b)). Assim os n´ıveis magn´eticos adjacentes do estado fundamental e excitado ficam separados de ∆g e ∆e, respectivamente. Um feixe de laser transmitido atrav´es da cavidade, que possui polariza¸c˜ao V, desloca um pouco os n´ıveis magn´eticos do estado fundamental e do es- tado excitado, de modo que a separa¸c˜ao entre os n´ıveis magn´eticos deslocados pelo efeito Zeeman ´e diminu´ıda (Fig. 5.4(c) e (d)). Este deslocamento ´e chamado deslocamento de luz ou deslocamento Stark AC [38]. Al´em disso, este feixe de laser ´e ressonante com a transi¸c˜ao F = 3 → F = 4 de modo que ele excita ´atomos no estado fundamental F = 3 para o primeiro estado excitado F = 4 (Fig. 5.4(e)). Este feixe de laser ser´a chamado de drive e esta transi¸c˜ao ´e denominada transi¸c˜ao π e possui regra de sele¸c˜ao ∆F = ±1, ∆m = 0 (Fig. 5.4(e)). Durante a emiss˜ao espontˆanea do estado F = 4 para o estado F = 3, o ´atomo pode emitir um f´oton circularmente polarizado, por regra de sele¸c˜ao ∆m = ± 1 (Fig. 5.4(f)), e este f´oton pode transferir uma componente de sua polariza¸c˜ao (circular) para um dos modos ortogonais de polariza¸c˜ao, polariza¸c˜ao hori- zontal (H). Logo, atrav´es da detec¸c˜ao de um f´oton com polariza¸c˜ao H, n˜ao ´e poss´ıvel determinar a origem desta emiss˜ao espontˆanea, ou seja, se o f´oton gerado corresponde ao ´_{atomo que foi excitado e decaiu via o caminho |g}0i → |e0i → |g−i ou pelo caminho

|g0i → |e0i → |g+i, assim uma superposi¸c˜ao desdes estados magn´eticos ´e gerada. Se

o ´atomo entra na cavidade no estado fundamental g = 0, a detec¸c˜ao de um f´oton no modo ortogonal H define o ´_{atomo em uma superposi¸c˜ao dos estados g = ±1. O estado} quˆantico gerado ent˜ao evolui na presen¸ca de um campo magn´etico, adquirindo uma fase relativa devido a precess˜ao de Larmor, at´e que outra transi¸c˜ao π transfira a coerˆencia do estado fundamental para o estado excitado. Posteriormente, detectando um segundo f´oton de polariza¸c˜ao H, este estado ´e novamente projetado para o estado inicial (Fig.

5.4(i)). Este f´_{oton ´e oriundo do caminho |g}0i → |e0i → |g−i → |e−i → |g0i ou do

caminho |g0i → |e0i → |g+i → |e+i → |g0i. No entanto, pode haver v´arias emiss˜oes es-

pontˆaneas de polariza¸c˜ao V (espalhamento Rayleigh [76]) antes de um segundo f´oton com polariza¸c˜ao H ser detectado (Fig. 5.4(h)). Cada um desses saltos quˆanticos pode inter- romper o dipolo atˆomico e causa um pequeno deslocamento de fase afetando a coerˆencia do estado fundamental. Este deslocamento leva `a decoerˆencia devido `a aleatoriedade dos saltos que causa a difus˜ao de fase.