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Litografia con atomi di Cesio raffreddati
Candidato: Matteo Zaccanti
Titolo Tesi: Litografia con atomi di Cesio raffreddati
Relatore: Prof. Ennio Arimondo
Questo lavoro di tesi descrive il montaggio ex novo, da noi eseguito, di un apparato
sperimentale- evoluzione di un precedente esperimento -destinato alla
nanodeposizione ed alla litografia atomica, che utilizza un fascio di atomi di
Cesio freddi, nonché la caratterizzazione delle varie parti dell’ esperimento,
e l’ esposizione dei primi risultati da noi ottenuti.
Nonostante oggigiorno sia stata giĂ dimostrata la possibilitĂ di fare litografia
atomica con svariati elementi (quali Cesio, Cromo, Alluminio, ed altri) -
opportunamente raffreddati sfruttando tecniche di laser cooling (che saranno
esposte nella prima parte della tesi)- con la realizzazione di nanostrutture di
varie forme (linee, reticoli, reticoli esagonali), l’ esperimento da noi messo a
punto ha la originalità assoluta di utilizzare atomi ”lenti”, oltreché ”freddi”:
mentre in tutti gli esperimenti di litografia atomica si utilizza, infatti, un
forno per generare gli atomi che andranno a formare il fascio, i.e. si scalda
il metallo di interesse fino a temperature dell’ ordine di 500 K, e si manipolano
gli atomi così liberati, fino ad ottenere un fascio freddo (i.e. con
basse velocità longitudinali), il fascio atomico da noi messo a punto è costituito,
invece, da atomi dotati di velocitĂ basse sia nelle direzioni trasversali a
quella di propagazione del fascio (pochi cm/s), sia in quella longitudinale(10
m/s); ciò permette una maggiore sensibilità sperimentale ed una migliore
risoluzione del processo litografico.
L’ apparato messo a punto nel corso di questa tesi è costituito da una sorgente
di atomi di Cs freddi (MOT piramidale), dalla quale essi vengono
estratti con continuitĂ (imbuto atomico), e collimati in un unico step (fase di
collimazione) che genera il fascio atomico; questo viene infine fatto incidere
su un substrato su cui è creata una nanostruttura 1D, attraverso l’ interazione
del fascio con una maschera ottica (fase di deposizione). L’ elaborato
è articolato secondo il seguente schema:
• Viene fornita una descrizione teorica delle tecniche di rareddamento
e di manipolazione di atomi neutri che si sono utilizzate per realizzare
questo esperimento, e sono messi in evidenza i parametri fondamentali
che regolano tali processi, e che sono stati pertanto esaminati e
studiati nel corso della caratterizzazione delle varie parti costituenti l’
esperimento.
• Viene descritto l’ apparato sperimentale nelle sue varie parti.
• Viene analizzata la sorgente di atomi dell’ apparato, e caratterizzata al
variare dei principali parametri sperimentali.
• Viene riportata la caratterizzazione del fascio atomico in uscita dall’
imbuto atomico e sono evidenziate le sue caratteristiche di divergenza,
velocitĂ , profilo, etc..Vengono descritte quindi le principali peculiaritĂ
del fascio dopo la fase di collimazione.
• Viene descritto come, a partire dal fascio collimato, siamo stati in grado
di produrre una nanostruttura su un substrato opportunamente trattato,
attraverso l’ interazione del fascio con una maschera ottica (formata
da un’ onda stazionaria), e dopo un processo chimico di sviluppo
del campione impressionato (etching)
Polarons, Dressed Molecules, and Itinerant Ferromagnetism in ultracold Fermi gases
In this review, we discuss the properties of a few impurity atoms immersed in
a gas of ultracold fermions, the so-called Fermi polaron problem. On one side,
this many-body system is appealing because it can be described almost exactly
with simple diagrammatic and/or variational theoretical approaches. On the
other, it provides quantitatively reliable insight into the phase diagram of
strongly interacting population imbalanced quantum mixtures. In particular, we
show that the polaron problem can be applied to study itinerant ferromagnetism,
a long standing problem in quantum mechanics.Comment: Review paper; published version, 48 pages and 23 figure
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 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
Accurate near-threshold model for ultracold KRb dimers from interisotope Feshbach spectroscopy
We investigate magnetic Feshbach resonances in two different ultracold K-Rb
mixtures. Information on the K(39)-Rb(87) isotopic pair is combined with novel
and pre-existing observations of resonance patterns for K(40)-Rb(87).
Interisotope resonance spectroscopy improves significantly our near-threshold
model for scattering and bound-state calculations. Our analysis determines the
number of bound states in singlet/triplet potentials and establishes precisely
near threshold parameters for all K-Rb pairs of interest for experiments with
both atoms and molecules. In addition, the model verifies the validity of the
Born-Oppenheimer approximation at the present level of accuracy.Comment: 9 pages, 7 figure
Observation of a Strong Atom-Dimer Attraction in a Mass-Imbalanced Fermi-Fermi Mixture
We investigate a mixture of ultracold fermionic K atoms and weakly
bound LiK dimers on the repulsive side of a heteronuclear atomic
Feshbach resonance. By radio-frequency spectroscopy we demonstrate that the
normally repulsive atom-dimer interaction is turned into a strong attraction.
The phenomenon can be understood as a three-body effect in which two heavy
K fermions exchange the light Li atom, leading to attraction in
odd partial-wave channels (mainly p-wave). Our observations show that mass
imbalance in a fermionic system can profoundly change the character of
interactions as compared to the well-established mass-balanced case
Repulsive Fermi and Bose Polarons in Quantum Gases
Polaron quasiparticles are formed when a mobile impurity is coupled to the elementary excitations of a many-particle background. In the field of ultracold atoms, the study of the associated impurity problem has attracted a growing interest over the last fifteen years. Polaron quasiparticle properties are essential to our understanding of a variety of paradigmatic quantum many-body systems realized in ultracold atomic gases and in the solid state, from imbalanced Bose-Fermi and Fermi-Fermi mixtures to fermionic Hubbard models. In this topical review, we focus on the so-called repulsive polaron branch, which emerges as an excited many-body state in systems with underlying attractive interactions such as ultracold atomic mixtures, and is characterized by an effective repulsion between the impurity and the surrounding medium. We give a brief account of the current theoretical and experimental understanding of repulsive polaron properties, for impurities embedded in both fermionic and bosonic media, and we highlight open issues deserving future investigations
Feshbach resonances in ultracold K(39)
We discover several magnetic Feshbach resonances in collisions of ultracold
K(39) atoms, by studying atom losses and molecule formation. Accurate
determination of the magnetic-field resonance locations allows us to optimize a
quantum collision model for potassium isotopes. We employ the model to predict
the magnetic-field dependence of scattering lengths and of near-threshold
molecular levels. Our findings will be useful to plan future experiments on
ultracold potassium atoms and molecules.Comment: 7 pages, 6 figure