Fisica Atômica e Molecular

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. Condensado de 23Na e nuvem ultrafria de 39K 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   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. CastilhoMiscibility regimes in a 23Na-39K quantum mixtureAppl. Sci. 11, 9099 (2021). pdf O 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. BagnatoA compact experimental machine for studying tunable Bose–Bose superfluid mixturesLaser Phys. Lett. 16, 035501 (2019). pdf E. Pedrozo-Peñafiel, F. Vivanco, P. C. M. Castilho, R. R. Paiva, K. M. Farias, V. S. BagnatoDirect comparison between a two-dimensional magneto-optical trap and a Zeeman slower as sources of cold sodium atomsLaser 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.

Metrologia Científica de Tempo e Frequência Metrologia Científica de Tempo e Frequência está entre as principais atividades atualmente em desenvolvimento em nossos laboratórios. A área não é somente importante cientificamente, mas estratégica para um país como o Brasil. O desenvolvimento de nossos experimentos tem uma estrutura de apoio para comparação e disseminação das referências de frequência. Estamos também montando um sistema para prover uma escala de tempo local e fazer a ligação entre os padões locais e o Tempo Universal Coordenado (UTC), através de sinal de GNSS. Receptores de satélite são comparados com padrões comerciais e experimentais. Atualmente há dois experimentos desenvolvendo padrões em regime de micro-ondas: Um chafariz atômico e um relógio compacto baseado em átomos frios. Com a chegada de nosso systema de pente de frequências (Menlo), estamos agora aptos a conectar os domínios de micro-ondas e óptico. Desse modo, os experimentos de Sr neutro, íons de Sr e o laser ultra-estável em 1550nm são todos interconectados e ligados ao domínio de RF. Nosso laboratório está também em curso para se tornar capacitado a contribuir com a formação do UTC(BIPM), através da recepção de sinal de GPS e comparação com os relógios locais. Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Condensados de Bose-Einstein Condensados de Bose-Einstein No topo da lista entre os temas mais importantes da física moderna, os fluidos quânticos estimulam avanços em muitos ramos da ciência. É geralmente aceito que, devido à importância do tema, é essencial na formação de novos talentos científicos. Um dos tópicos principais em investigação nos nossos laboratórios trata de Turbulência Quântica e a Investigação de Vórtices em Superfluidos Atômicos. O estudo de vórtices em condensados nunca sofreu de falta de interesse. Com o passar dos anos, estudos de novos aspectos, tanto da formação quanto da dinâmica de vórtices, foram realizados. Recentemente, vórtices foram observados em nossos laboratórios, por meio de uma nova técnica que consiste em introduzir uma oscilação fora de eixo no condensado. Turbulência Quântica Processos turbulentos aparecem por toda parte na Terra e no cosmos. Fluidos turbulentos são cruciais para sustentar a vida na Terra. Por exemplo, ao espalhar as sementes sobre a terra, nutrientes, calor, e homogeneizando os gases atmosféricos. Outro bom exemplo é o campo magnético da Terra, que é usado para a navegação e também funciona como uma barreira contra as nocivas partículas carregadas provenientes do sol. Ele é criado pelo ferro fundido girando em fluxo turbulento no núcleo da Terra. A nossa experiência diária com a turbulência pode ser encontrado em vôos de avião, padrões de movimentos de nuvens, ou no simples fluxo de um rio. Além disso, a turbulência desempenha um papel crítico na concepção e funcionamento da maioria dos processos industriais, não se restringindo unicamente ao movimento de fluidos. Por exemplo, o coração humano sofre turbulência filamentar imediatamente antes de entrar em fibrilação; ondas eletromagnéticas ocorrendo no interior de plasmas produzidos em laboratório também podem ser turbulentas; e processos similares podem ocorrer em sistemas ópticos (turbulência de uma cavidade laser em anel), sistemas opto-eletrônicos, tais como um sistema de realimentação Mach-Zehnder, e também redes neuronais. A integração entre grandes e pequenas escalas que ocorre em fluxos turbulentos torna seu estudo complexo, especialmente devido à necessidade de acomodar ordens de magnitude de extensão espacial. Sob o ponto de visra dos pesquiadores teóricos, as equações não-lineares que regem o movimento são difíceis de resolver devido à grande extensão de escalas envolvidos na turbulência. Os termos das equações não podem ser negligenciados, porque a contribuição de cada um pode variar ao longo das escalas de interesse do problema. Isto requer então simulações numéricas de sistemas experimentais e de ocorrência natural ter extremamente grandes domínios que também são capazes de resolver as pequenas escalas dominadas por dissipação, em fluidos clássicos. Por outro lado, os fluidos quânticos, tais como superfluidos, ou supercondutores, além dos condensados ​​de Bose-Einstein, podem apresentar estados turbulentos que são diferentes de sua contrapartida clássica em relação ao ordenamento quântica de longo alcance. Esse ordenamento impõe restrições quânticas à sua dinâmica, tal como medido por um parâmetro de ordem não-nulo. Especificamente, toda a vorticidade (campo magnético) no caso de superfluídos e condensados ​​de Bose-Einstein (e supercondutores) é limitada a defeitos topológicos ocorrendo no parâmetro de ordem do sistema. Estas estruturas em forma de linha, denominadas vórtices quantizados devido a continuidade no parâmetro de ordem quantiza a circulação do fluxo em torno de cada defeito topológico. A turbulência em fluidos quânticos exibe um emaranhado de vórtices quantizados interagentes, de maneira como fôra originalmente imaginada por Feynman, o que é bem distinto das distribuições contínuas de vorticidade presentes na turbulência clássica dos fluidos. Vórtices, turbulência e termodinâmica em condensados de Bose-Einstein Nosso assunto principal de pesquisa envolvendo a condensação de Bose-Einstein, em São Carlos, é a turbulência quântica. Ideias e métodos para gerar vórtices e turbulência quântica são investigados. Questões importantes à espera de respostas, tais como: Por que o estado de turbulência suprime inversão do aspect ratio da nuvem atômica em expansão balística? Isso indica a existência de um novo regime hidrodinâmico em superfluidos atômicos? Como se dá o decaimento de um estado de turbulento? Como o tamanho e número finito de átomos das amostras condensadas ​​podem influenciar um estado turbulento? Outro tópico de pesquisa de grande interesse do laboratório BEC 1 é o estudo de fenômenos termodinâmicos. Além disso, temos investigado cuidadosamente o processo termodinâmico de transição de fase, na região da temperatura crítica à procura de uma compreensão mais detalhado e geral. Finalmente, é importante ressaltar que sistemas quânticos ordenados de longo alcance podem apresentar um comportamento turbulento quando fora do equilíbrio. A interação de defeitos topológicos (vórtices quantizados) subjacente a turbulência quântica. A turbulência quântica em grandes escalas pode apresentar um comportamento granular semelhante à turbulência clássica ocorrendo em um fluido newtoniano. Sabe-se que, em escalas menores do que o espaçamento inter vórtices típico, o comportamento é dominado por reconexões, geração de ondas de Kelvin, e a formação de anéis de vortex quantificados. Além dos avanços significativos já ocorridos até o momento, certamente há espaço para progressos consideráveis. Uma outra provável área de pesquisa relevante no futuro pode estar na realização de experimentos para testar individualmente os termos das diferentes equações de movimento propostas para descrever o sistema, assim como tem sido feito para a equação de Navier-Stokes. Membros: Vanderlei S. Bagnato (Investigador principal – IFSC/USP) Gustavo D. Telles (Pesquisador permanente – IFSC/USP) Amilson R. Fritsch (Pós-doutor – IFSC/USP) Arnol D. G. Orozco (Pós-doutor – IFSC/USP) Michelle A. M. Armijos (Aluna de Pós-graduação – IFSC/USP) Sarah Sab (Aluna de Graduação – IFSC/USP) Leonardo L. da Silva (Aluno de Graduação – IFSC/USP) João Pedro G. Venassi (Aluno de Graduação – IFSC/USP) Vinicius B. Tafuri (Aluno de Graduação – IFSC/USP) Collaboradores: Lucas Madeira (Pós-doutor – IFSC/USP) Giacomo Roati (Pesquisador nível 1, INO-CNR, e associado à: LENS e Un. Florence – Florença, Itália) Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica – INCT de Óptica Básica e Aplicada às Ciências da Vida.

Gases Quânticos Bidimensionais 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 O novo experimento: 2D-K 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. Notícias Nosso laboratório 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. Perfis dinâmicos com o DMD https://www.ifsc.usp.br/~cepof/wp-content/uploads/2024/08/vid_20220406_132218.mp4 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.