Studi sperimentali di eccitazioni di stati di Rydberg fortemente correlate in gas ultrafreddi

Università degli Studi di Pisa Dipartimento di Fisica Studi sperimentali di eccitazioni di stati di Rydberg fortemente correlate in gas ultrafreddi Tesi di Laurea di: Cristiano Simonelli Professore Relatore: Ennio Arimondo Gli atomi di Rydberg sono caratterizzati da un numero quantico principale molto elevato n > 20. Questo comporta molte proprieta` particolari tra cui un tempo di vita media molto lungo e una polarizzabilita` elevata. Quest’ultima, in modo particolare, porta a forti interazioni tra gli atomi di Rydberg che permettono lo studio di fenomeni fortemente correlati in gas di atomi ultrafreddi. Per questi motivi, gli atomi di Rydberg suscitano ancora oggi l’interesse della comunita` scientifica e si propongono come candidati per applicazioni nel campo della computazioni quantistica. Se facciamo interagire una nube di atomi ultrafreddi con un fascio laser risonante con la transizione allo stato di Rydberg, lo spostamento in energia causato dall’interazione dipolare o di Van der Waals tra gli atomi di Rydberg, definisce zone nello spazio all’interno delle quali `e possibile avere una sola eccitazione, condivisa tra tutti gli atomi. Questo fenomeno `e noto in letteratura come bloccaggio dipolare. Ognuna di queste zone viene trattata come un Super Atomo a due livelli, dove i fenomeni collettivi sono resi evidenti da un aumento della frequenza di oscillazione tra lo stato eccitato collettivo e il fondamentale. La dinamica degli atomi di Rydberg causata dall’interazione con una radiazione non risonante presenta delle particolarit`a ancora oggi non completamente comprese. Diversamente da quando avviene nel caso risonante, dove si ha un volume in cui `e possibile una sola eccitazione, nel caso fuori risonanza la presenza di un atomo eccitato definisce un volume di facilitazione in cui lo spostamento in energia dei livelli, che deriva dall’interazione, compensa il disaccordo con la radiazione laser. Un atomo all’interno di questo volume `e sottoposto nuovamente a radiazione risonante e una volta eccitato lo accresce, dando luogo ad un processo a catena che va a formare un aggregato di eccitazioni allo stato Rydberg. L’inizio del processo a catena dipende dalla presenza della prima eccitazione Rydberg e durante l’interazione con il fascio laser, questa avviene ad un tempo che `e funzione della frequenza di Rabi scelta. Per avere un maggior controllo sull’inizio di questo processo introduciamo la prima eccitazione tramite una breve interazione risonante di cui controlliamo inizio e durata. Questo funge da seed iniziale attorno al quale si sviluppa la crescita dell’aggregato. Questo meccanismo funziona in maniera opposta al bloccaggio dipolare e dipende sia dal segno del disaccordo sia dal tipo di interazione, attrattiva o repulsiva a seconda dello stato Rydberg scelto. Mentre per valori opposti al segno dell’interazione non ci aspettiamo cambiamenti evidenti nella dinamica, per valori uguali al segno dell’interazione, tutti gli atomi a distanza tale da compensare il valore del disaccordo vedono una radiazione risonante e comporta un aumento del tasso di eccitazione. In questo lavoro di tesi vengono analizzati gli effetti delle interazioni sulla dinamica di un gas freddo di atomi di rubidio confinati in una trappola magneto ottica. Inizialmente viene introdotta una tecnica sperimentale che permette di variare la densità degli atomi coinvolti nella dinamica, fascio di depompaggio. Gli atomi sottoposti all’interazione con questo fascio vengono pompati in uno stato non accoppiato con la radiazione laser della transizione allo stato Rydberg. In questo modo gli atomi, pur essendo sempre presenti nel campione, non prendono parte alla dinamica quindi si ha una diminuzione effettiva della densità di atomi. Successivamente vengono studiati gli effetti del bloccaggio dipolare con eccitazione risonante per diverse densita` del campione di atomi e vengono testate le leggi di scala che governano sia il regime coerente e sia quello incoerente. Una volta studiato l’effetto delle interazioni tra gli atomi di Rydberg sulla dinamica risonante, viene affrontato il tema della dinamica fuori risonanza . In questa seconda parte viene studiata la dinamica sia per diversi valori del disaccordo in energia con la radiazione, sia diverse densit`a di atomi e ne viene data una interpretazione fisica in termini del processo a catena. Oltre al numero medio di eccitazioni prodotte, vengono analizzate le distribuzioni dei conteggi degli atomi di Rydberg per caratterizzare qualitativamente il processo di eccitazione in funzione della densita`, del disaccordo e del tempo. Infine si presenta un modello semplificato che riproduce qualitativamente l’andamento di tali distribuzioni al variare degli stessi parametri

Realization of a high power optical trapping setup free from thermal lensing effects

Transmission of high power laser beams through partially absorbing materials modifies the light propagation via a thermally-induced effect known as thermal lensing. This may cause changes in the beam waist position and degrade the beam quality. Here we characterize the effect of thermal lensing associated with the different elements typically employed in an optical trapping setup for cold atoms experiments. We find that the only relevant thermal lens is represented by the $TeO_2$ crystal of the acousto-optic modulator exploited to adjust the laser power on the atomic sample. We then devise a simple and totally passive scheme that enables to realize an inexpensive optical trapping apparatus essentially free from thermal lensing effects

Seeded excitation avalanches in off-resonantly driven Rydberg gases

We report an experimental investigation of the facilitated excitation dynamics in off-resonantly driven Rydberg gases by separating the initial off-resonant excitation phase from the facilitation phase, in which successive facilitation events lead to excitation avalanches. We achieve this by creating a controlled number of initial seed excitations. Greater insight into the avalanche mechanism is obtained from an analysis of the full counting distributions. We also present simple mathematical models and numerical simulations of the excitation avalanches that agree well with our experimental results.Comment: 13 pages, 6 figure

Realization of a Cold Mixture of Fermionic Chromium and Lithium Atoms

We report on the production of a novel cold mixture of fermionic $^{53}$Cr and $^{6}$Li atoms delivered by two Zeeman-slowed atomic beams and collected within a magneto-optical trap (MOT). For lithium, we obtain clouds of up to $4 \,10^8$ atoms at temperatures of about $500\,\mu$K. A gray optical molasses stage allows us to decrease the gas temperature down to $45(5)\,\mu$K. For chromium, we obtain MOTs comprising up to $1.5\, 10^6$ atoms. The availability of magnetically trappable metastable $D$-states, from which $P$-state atoms can radiatively decay onto, enables to accumulate into the MOT quadrupole samples of up to $10^7$ $^{53}$Cr atoms. After repumping $D$-state atoms back into the cooling cycle, a final cooling stage decreases the chromium temperature down to $145(5)\,\mu$K. While the presence of a lithium MOT decreases the lifetime of magnetically trapped $^{53}$Cr atoms, we obtain, within a 5 seconds duty cycle, samples of about $4\, 10^6$ chromium and $1.5\,10^8$ lithium atoms. Our work provides a crucial step towards the production of degenerate Cr-Li Fermi mixtures.Comment: 14 pages, 8 figure

Van der Waals explosion of cold Rydberg clusters

We report on the direct measurement in real space of the effect of the van der Waals forces between individual Rydberg atoms on their external degrees of freedom. Clusters of Rydberg atoms with interparticle distances of around 5μm are created by first generating a small number of seed excitations in a magneto-optical trap, followed by off-resonant excitation that leads to a chain of facilitated excitation events. After a variable expansion time the Rydberg atoms are field ionized, and from the arrival time distributions the size of the Rydberg cluster after expansion is calculated. Our experimental results agree well with a numerical simulation of the van der Waals explosion

Experimental signatures of an absorbing-state phase transition in an open driven many-body quantum system

Understanding and probing phase transitions in non-equilibrium systems is an ongoing challenge in physics. A particular instance are phase transitions that occur between a non-fluctuating absorbing phase, e.g., an extinct population, and one in which the relevant order parameter, such as the population density, assumes a finite value. Here we report the observation of signatures of such a non-equilibrium phase transition in an open driven quantum system. In our experiment rubidium atoms in a quasi one-dimensional cold disordered gas are laser-excited to Rydberg states under so-called facilitation conditions. This conditional excitation process competes with spontaneous decay and leads to a crossover between a stationary state with no excitations and one with a finite number of excitations. We relate the underlying physics to that of an absorbing state phase transition in the presence of a field (i.e. off-resonant excitation processes) which slightly offsets the system from criticality. We observe a characteristic power-law scaling of the Rydberg excitation density as well as increased fluctuations close to the transition point. Furthermore, we argue that the observed transition relies on the presence of atomic motion which introduces annealed disorder into the system and enables the formation of long-ranged correlations. Our study paves the road for future investigations into the largely unexplored physics of non-equilibrium phase transitions in open many-body quantum systems

Dissipative and non-dissipative many-body physics with cold Rydberg atoms

In this Thesis, I will report on the experiments performed during my Ph.D. in Pisa. The aim of the thesis is to explore the evolution of a many-body system in a dissipative regime. This can be done by the means of a cold ensemble of Rydberg atoms that, thanks to their peculiar properties, provides a versatile experimental platform to observe non-trivial dynamics of correlated excitations and new phase transitions. The Rydberg-Rydberg mechanical interaction is measured and a deexcitation technique is used to implement a state selective experimental protocol aimed at the measurement of the lifetime. Finally, we use our Rydberg atom system in the dissipative regime to implement a second order absorbing-state phase transition, which arises from the competition between two opposing processes: the correlated excitation and the spontaneous decay to the ground state. Clear signatures of the undergoing phase transition have been measured. These results pave the road for future investigations into the largely unexplored physics of nonequilibrium phase transitions in open many-body quantum systems

Caratteristiche di personalità e andamento dell'ansia e della depressione in soggetti in corso di trattamento FIV/ET

Ricerca su coppie che hanno intrapreso un concepimento assistito. Vengono indagate le dimensioni di ansia e di depression

Área de Influência de um Bairro sob a Ótica de Conceitos de Espaço de Atividades

Este artigo aborda conceitos de espaço de atividades e de área de influência direta de empreendimentos para subsidiar uma análise da atração de indivíduos para um dado bairro. Por definição esse espaço de atividades coincide com a área de Influência Direta, porém não a de um Empreendimento, mas sim a de um bairro a partir das características de infraestrutura urbana ofertadas como serviços, comércio, lazer, educação, saúde, etc. Um estudo de caso permite o traçado de linhas de desejo de viagens entre localidades o que complementa a análise conceitual realizada

Driven dissipative dynamics in an open many-body quantum system

In a large variety of systems in nature, a small change of an external parameter around a critical value could affect the microscopic dynamics in such a deep way that the entire system changes sharply its macroscopic state and properties, experiencing what is known as a phase transition. Non equilibrium phase transitions are a particular class of phase transitions which occur in systems far from the thermal equilibrium. An example is that of absorbing state phase transitions, in which the behaviour of the system is determined by the competition of two processes, where one increases the order parameter of the transition, while the other lowers it. The system thus ends in one of two different states, either an oscillating state, or an absorbing state in which the order parameter equals zero and from which the system cannot escape. An example is represented by the infectious spreading of a disease, in which the two processes are the infection and the spontaneous healing, while the two final states are a partially infected or a completely healed population