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Gases Quânticos Bidimensionais – Experimentos Imagem da gata Kika projetada por um “Digital micromirror device” (DMD). Neste experimento, ainda em fase de construção no CEPOF, estamos interessados em estudar o estado superfluido e a transição de fase que ocorre em sistemas de gases atômicos bidimensionais. Além deste interesse de caráter mais fundamental, pretendemos também utilizar estes gases como plataformas experimentais para o desenvolvimento de simuladores quânticos.Este experimento conta com o financiamento de um Projeto Inicial (PI) lançado em 2022 (ver projetos selecionados) com o título “Instabilidades hidrodinâmicas em gases de bósons bidimensionais”, um Projeto Temático em “Tecnologias Quânticas de segunda geração”, ambos da FAPESP e um projeto na Chamada Universal 2023 do CNPq, “Átomos ultrafrios na transição dimensional 3D-2D”.Estamos à procura de estudantes talentosos e motivados (mestrado e doutorado) para se juntarem à equipe. Mulheres são fortemente encorajadas a aplicar. Contato: patricia.castilho@ifsc.usp.br MENU Objetivo científico Publicações Equipe 2D-K Instagram O novo experimento: 2D-K Este novo experimento em desenvolvimento no CEPOF utilizará das últimas tecnologias desenvolvidas para experimentos de átomos ultrafrios a fim de produzir gases quânticos bidimensionais uniformes com interação variável e sujeitos a perturbações localizadas de modo a estudar as suas propriedades superfluidas. Para isso, o regime bidimensional será obtido a partir do forte confinamento de um gás tridimensional realizado por uma rede óptica com espaçamento variável (“accordion lattice”). Na sequência, a armadilha bidimensional será realizada por meio de uma armadilha óptica com o perfil de intensidade modelado por um dispositivo de modulação espacial da luz, o “digital micromirror device” DMD composto por um array de 1024 x 768 microespelhos quadrados de 13.7 µm que podem ser controlados independentemente refletindo ou não a luz na direção da nuvem atômica. Utilizando de uma objetiva microscópica para realizar a imagem do DMD no plano da nuvem atômica, é possível “desenhar” armadilhas bidimensionais e perturbações localizadas com resolução da ordem de 1µm. Por fim, um sistema de imagem de alta resolução permitirá a implementação de técnicas quase não-destrutivas capazes de observar a nuvem atômica aprisionada (in situ) garantindo a possibilidade de seguir o seu comportamento dinâmico. Esquema ilustrativo da rede óptica responsável por atingir o regime bidimensional. Notícias 08 de dezembro de 2023 Nosso laboratório Bem-vindos ao nosso laboratório! Inauguramos o nosso laboratório! Depois de uma rápida reforma, levamos as mesas ópticas para uma sala ainda vazia, mas cheia de potencial. Nossa equipe está animada para transformar este espaço em um laboratório de gases quânticos de verdade. Agradecemos a todos que ajudaram e apoiaram esta conquista. Agora é só começar a montar! Para ver mais fotos do laboratório e da festa de inauguração, clique aqui. Perfis dinâmicos com o DMD VÍDEO O “Digital micromirror device” (DMD) composto por um array de microespelhos quadrados de 13.7 µm que podem ser controlados independentemente refletindo ou não a luz na direção da nuvem atômica, pode ser usado para gerar imagens estáticas e dinâmicas. Imagens estáticas serão utilizadas para criar o potencial de aprisionamento bidimensional enquanto imagens dinâmicas podem ser usadas como perturbações ou para transferir momento angular “girando” a nuvem atômica. À esquerda mostramos uma animação do perfil de laser refletido pelo DMD em que vemos um círculo girando dentro de uma região escura em formato de quadrado. Este é um exemplo de animação que pode ser usada para “girar” a nuvem atômica a partir do uso de um feixe de laser girante ou feixe de stirring. Pessoas envolvidas: Patricia Christina Marques Castilho (Professora – IFSC) Vanderlei Salvador Bagnato (Professor – IFSC) Kilvia Mayre Farias (Pesquisadora – IFSC) Pedro Henrique Cook Cunha (estudante de Doutorado) Gabriel Tardin Belumat (estudante de IC) Gabriel Maciel Novaes (estudante de IC) Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Condensados de mistura atômica Átomos de sódio aprisionados em uma armadilha magneto-óptica (MOT). Neste experimento estamos interessados em estudar as propriedades estáticas e dinâmicas de condensados de Bose-Einstein de mistura atômica com interação variável. Para isso, utilizamos a combinação de sódio (23Na) e potássio (39K ou 41K) que apresenta excelentes condições para variar a interação entre as espécies atômicas.Assim como acontece em misturas de fluídos clássicos, misturas de condensados atômicos podem ser miscíveis (em que os dois condensados ocupam o mesmo espaço) ou imiscíveis (em que os condensados permanecem espacialmente separados) como resultado da competição entre as interações intra- e interespécies. O regime de miscibilidade do sistema afeta diretamente o seu comportamento superfluido o que pode ser inferido a partir das suas propriedades dinâmicas. A nucleação de vórtices quantizados, uma das assinaturas de superfluidez nestes sistemas, exibe características interessantes no caso de misturas atômicas. Os processos de nucleação e organização dos vórtices são fortemente afetados pela presença de uma segunda espécie atômica, assim como a sua evolução para um estado de turbulência quântica.O sistema experimental desenvolvido em nosso laboratório nos permite caracterizar os regimes de miscibilidade acessíveis à condensados de sódio e potássio e estudar a dinâmica de vórtices quantizados como função de interação entre espécies atômicas. VEJA TAMBÉM: Publicações Equipe NaK Condensado de 23Na e nuvem ultrafria de 39K Imagens do condensado de 23Na (à esquerda) coexistindo com uma nuvem ultrafria de 39K (à direita). A realização experimental de Condensados de Bose-Einstein de duas espécies atômicas é um grande desafio devido às dificuldades em garantir uma boa operação do sistema e da sequência experimental para ambas as espécies. No caso específico de átomos de sódio e potássio, a alta taxa de perdas de três corpos interespécies, presentes já nas fases iniciais do experimento, têm sido nosso maior desafio já que só podem ser minimizadas uma vez os átomos aprisionados em uma armadilha puramente óptica. Em dezembro de 2021, conseguimos um resultado importante para o experimento: a obtenção de um Condensado de 23Na com cerca de 2 x 105 átomos coexistindo com uma nuvem ultrafria com cerca de 1 x 104 átomos de 39K a uma temperatura de apenas 80 nK. Parabéns aos alunos que realizaram este grande resultado! Regimes de miscibilidade Perfil de densidade do 23Na (em azul) e do 39K (em laranja) no regime imiscível. Condensados de mistura atômica apresentam um rico diagrama de fase no qual a transição da fase miscível, em que os dois condensados compartilham o mesmo espaço, para a fase imiscível, em que os condensados permanecem separados em fase com domínios bem definidos, pode ser estudada sob diferentes condições experimentais, e.g. potencial de aprisionamento, número de átomos, etc. No caso de sistemas inomogêneos, como os gases aprisionados por potenciais harmônicos, caracterizar a transição miscível-imiscível requer algum cuidado e encontrar os melhores parâmetros experimentais nesta direção ainda é um desafio principalmente quando se levam em conta todas as condições experimentais. Em um trabalho recente, realizamos um estudo teórico do estado fundamental de um condensado de mistura atômica de 23Na-39K considerando condições experimentais reais como as que temos no experimento. Definido o overlap espacial das nuvens atômicas, encontrarmos o ponto de transição miscível-imiscível para diferentes razões do número de átomos de cada nuvem atômica. Este estudo possibilitará a caracterização direta dos regimes de miscibilidade da mistura 23Na-39K em nosso experimento. E. M. Gutierrez, G. A. de Oliveira, K. M. Farias, V. S. Bagnato, P. C. M. Castilho Miscibility regimes in a 23Na-39K quantum mixture Appl. Sci. 11, 9099 (2021). pdf O sistema experimental Esquema do nosso sistema experimental Nosso sistema experimental é composto de três câmaras de vácuo: duas câmaras (nas laterais da figura) utilizadas apenas como fonte de átomos, nas quais realizamos uma armadilha magneto-óptica (MOT) bidimensional para átomos de sódio e potássio de forma independente, e uma câmara principal (no centro da figura) na qual os átomos previamente resfriados são novamente aprisionados em um MOT tridimensional e onde toda a sequência experimental acontece até a obtenção do condensado de mistura atômica. P. C. M. Castilho, E. Pedrozo-Peñafiel, E. M. Gutierrez, P. L. Mazo, G. Roati, K. M. Farias, V. S. Bagnato A compact experimental machine for studying tunable Bose–Bose superfluid mixtures Laser Phys. Lett. 16, 035501 (2019). pdf E. Pedrozo-Peñafiel, F. Vivanco, P. C. M. Castilho, R. R. Paiva, K. M. Farias, V. S. Bagnato Direct comparison between a two-dimensional magneto-optical trap and a Zeeman slower as sources of cold sodium atoms Laser Phys. Lett. 13, 065501 (2016). pdf Pessoas envolvidas: Vanderlei Salvador Bagnato (Professor titular – IFSC) Patricia Christina Marques Castilho (Professora Dra. – IFSC) Kilvia Mayre Farias (Pesquisadora – IFSC) Edward G. I. Salcedo (estudante de doutorado) Cosme W. T. Chacca (estudante de mestrado) Pedro M. Gaspar (estudante de IC) Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Gases Quânticos Bidimensionais Equipe atual: Patricia Christina Marques Castilho (Professora – IFSC) Kilvia Mayre Farias (Pesquisadora – IFSC) Pedro Henrique Cook Cunha (estudante de Doutorado) Gabriel Tardin Belumat (estudante de IC) Gabriel Maciel Novaes (estudante de IC) Lucas Pietro Balan (estudante de IC) Equipe Atual Membros antigos: Luiz Felipe Souza da Silva Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Equipe Membros atuais: Vanderlei Salvador Bagnato (Professor titular – IFSC) vander@ifsc.usp.br Patricia C. M. Castilho (Professora Dra. – IFSC) patricia.castilho@ifsc.usp.br Kilvia Mayre Farias (Pesquisadora – IFSC) kilvia@ifsc.usp.br Edward G. I. Salcedo Edward G. I. Salcedo Cosme W. T. Chacca Cosme W. T. Chacca Pedro M. Gaspar Pedro M. Gaspar Membros antigos: Edwin P. Peñafiel Franklin Pablo Guilherme Pedro Mazo Emmanuel M. Gutierrez Gustavo A. de Oliveira Julia C. Fernandes Equipe 2020 Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Condensados de mistura atômica Artigos publicados em periódicos: E. M. Gutierrez, G. A. de Oliveira, K. M. Farias, V. S. Bagnato and P. C. M. Castilho, Miscibility regimes in a 23Na-39K quantum mixture. Applied Sciences 11, 9099 (2021). Link e arXiv. P. C. M. Castilho, E. Pedrozo-Peñafiel, E. M. Gutierrez, G. Roati, K. M. Farias and V. S. Bagnato. A compact experimental machine for studying tunable Bose-Bose superfluid mixtures, Laser Physics Letters 16, 03551 (2019). Link e arXiv. E. Pedrozo-Peñafiel, F. Vivanco, P. C. M. Castilho, R. R. Paiva, K. M. Farias, V. S. Bagnato Direct comparison between a two-dimensional magneto-optical trap and a Zeeman slower as sources of cold sodium atoms Laser Physics Letters 13, 065501 (2016). Link. Teses e dissertações: G. A. de Oliveira, Processos de perdas de 3-corpos em gases ultrafrios de sódio e potássio. Dissertação de Mestrado IFSC-USP (2022). Link. E. M. Gutierrez, Hydrodynamic studies of atomic fluids in quantum regime. Tese de Doutorado IFSC-USP (2021). Link. E. G. I. Salcedo, The gray molasses cooling technique for optimizing the temperature of 39K atoms. Dissertação de Mestrado IFSC-USP (2021). Link. P. L. Mazo, Controlling the interaction via Feshbach resonances in a dual-species Bose-Einstein condensate: the implementation for potassium. Dissertação de Mestrado IFSC-USP (2020). Link. P. C. M. Castilho, New experimental system to study coupled vortices in a two-species Bose-Einstein condensate 23Na-41K with tunable interactions. Tese de Doutorado IFSC-USP (2017). Link. E. Pedrozo-Peñafiel, Production of a Bose-Einstein condensate of sodium atoms and investigation considering non-linear atom-photon interactions. Tese de Doutorado IFSC-USP (2016). Link. Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Patricia Christina Marques Castilho O programa Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia é uma iniciativa do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI), intermediada pelo CNPq, Fapesp e CAPES, e tem metas ambiciosas e abrangentes em termos nacionais como possibilidade de mobilizar e agregar, de forma articulada, os melhores grupos de pesquisa em áreas de fronteira da ciência e em áreas estratégicas para o desenvolvimento sustentável do país; impulsionar a pesquisa científica básica e fundamental competitiva internacionalmente; estimular o desenvolvimento de pesquisa científica e tecnológica de ponta associada a aplicações para promover a inovação e o espírito empreendedor, em estreita articulação com empresas inovadoras, nas áreas do Sistema Brasileiro de Tecnologia (Sibratec). Contato: patricia.castilho@ifsc.usp.br Instituto de Física de São Carlos – Universidade de São Paulo Laboratórios em que atua: Gases Quânticos bidimensionais Condensados de mistura atômica Lista das últimas publicações: A. D. García-Orozco, L. Madeira, M. A. Moreno-Armijos, A. R. Fritsch, P. E. S. Tavares, P. C. M. Castilho, A. Cidrim, G Roati and V. S. Bagnato, Universal dynamics of a turbulent superfluid Bose gas. Physical Review A 106, 023314 (2022). Link and arXiv. E. M. Gutierrez, G. A. de Oliveira, K. M. Farias, V. S. Bagnato and P. C. M. Castilho, Miscibility regimes in a 23Na-39K quantum mixture. Applied Sciences 11, 9099 (2021). Link e arXiv. B. Bakkali-Hassani, C. Maury, Y.-Q. Zou, É Le Cerf, R. Saint-Jalm, P. C. M. Castilho, S. Nascimbène, J. Dalibard and J. Beugnon. Realization of a Townes soliton in a two-component planar Bose gas, Physical Review Letters 127, 023603 (2021). Link e arXiv. Y.-Q. Zou, É. Le Cerf, B. Bakkali-Hassani, C. Maury, G. Chauveau, P. C. M. Castilho, R. Saint-Jalm, S. Nascimbène, J. Dalibard and J. Beugnon. Optical control of the density and spin spatial profiles of a planar Bose gas, J.Phys.B: At.Mol.Opt.Phys. 54, 08LT01 (2021). Link e arXiv. R. Saint-Jalm, P. C. M. Castilho, E. le Cerf, B. Bakkali-Hassani, J.-L. Ville, S. Nascimbène, J. Beugnon and J. Dalibard. Dynamical symmetry and breathers in a two-dimensional Bose gas, Physical Review X 9, 021035 (2019). Link e arXiv. P. C. M. Castilho, E. Pedrozo-Peñafiel, E. M. Gutierrez, G. Roati, K. M. Farias and V. S. Bagnato. A compact experimental machine for studying tunable Bose-Bose superfluid mixtures, Laser Physics Letters 16, 03551 (2019). Link e arXiv. Divulgação e difusão: Participação no podcast Fisicast em 23/05/2022 – “Átomos frios e condensados de Bose-Einstein” – ouvir o podcast Live da Semóptica 2021 transmitida em 26/08/2021 – “Manipulando átomos com luz” – assistir à live Apresentação do Colóquios do IFSC em 13/03/2020 – “Gases quânticos em duas dimensões” – assistir ao colóquio Organização de eventos: 2021-2022: Seminários de Física Atômica do Grupo de Óptica (IFSC-USP) 2022: Colóquios do Instituto de Física de São Carlos (IFSC-USP) – site dos Colóquios 2023: 3rd School on Light and Cold Atoms (ICTP – São Paulo) – site da escola Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.