Novos tipos de memórias ópticas não lineares usando os graus de liberdade externos de átomos frios de césio

Abstract

Nesta tese apresentamos a implementação experimental de novos tipos de memórias ópticas não lineares baseadas nos graus de liberdade externos de átomos frios. Usamos o mecanismo de esfriamento Sisyphus assistido magneticamente para esfriar átomos de césio abaixo do limite Doppler. Dessa forma os átomos ficam confinados no potencial de uma rede óptica unidimensional produzida por dois feixes contrapropagantes e o movimento do seu centro de massa é quantizado. Incluímos mais um feixe como sonda para produzir um processo de mistura de quatro ondas, e observamos claramente a estrutura de níveis vibracionais quantizados dos átomos tanto no espectro de transmissão do feixe de sonda quanto no espectro do sinal gerado via mistura de quatro ondas. Mostramos que a informação associada ao feixe de sonda é mapeada e armazenada no meio atómico em forma de coerência entre os níveis vibracionais do movimento. Esta informação pode ser recuperada após um tempo controlado enquanto a coerência entre os níveis vibracionais sobrevive. Foi desenvolvido um modelo teórico para explicar as oscilações de Rabi observadas nos pulsos recuperados, reproduzindo qualitativamente o comportamento de ambos os sinais (transmissão do feixe de sonda e do sinal gerado). Também usamos os níveis vibracionais do movimento dos átomos confinados na rede óptica para implementar processos de mistura de seis e oito ondas. Em ambos os processos foram observadas ressonâncias sub-harmônicas, acontecendo em frações inteiras da separação em frequência entre dois níveis vibracionais adjacentes. Também mostramos a possibilidade de armazenar e recuperar informação do feixe de sonda no meio atômico, desta vez usando processos de ordem superior associados às susceptibilidades não lineares 𝜒(5) e 𝜒(7). Finalmente estudamos um processo de mistura de quatro ondas em cascata capaz de gerar quatro modos diferentes acoplados entre si. Em tal processo observamos a amplificação do feixe de sonda acima de 7000 vezes sua intensidade inicial. Várias medidas indicam que o processo paramétrico está associado com as ressonâncias induzidas pelo recuo dos átomos (RIR). Observamos também a presença de auto-oscilação no sistema nos quatro modos gerados. Este mecanismo foi usado para implementar uma memória óptica na qual a informação do feixe de sonda pode ser amplificada no processo de leitura da memória. Em especial, mostramos como a informação de momento angular orbital do feixe de sonda pode ser, via interação não linear com o meio, armazenada, recuperada e amplificada após um tempo controlado.