Luis Gustavo Marcassa.

Rydberg atoms offer strong and controllable atomic interactions that can be tuned by selecting states with different principal quantum number or orbital angular momentum. In addition, Rydberg atoms present long lifetimes and many available energy levels. Their energy state separations allow coupling to electromagnetic fields from Megahertz to Terahertz range. Such features make them highly desirable for developing new quantum technologies, especially involving electromagnetic field sensing. In this proposal, we intend to investigate hot and cold Rydberg atomic samples as prototypes for quantum technologies involving microwave sensing.Goals:

Rydberg atoms offer strong and controllable atomic interactions that can be tuned by selecting states with different principal quantum number or orbital angular momentum. In addition, Rydberg atoms present long lifetimes and many available energy levels. Their energy state separations allow coupling to electromagnetic fields from Megahertz to Terahertz range. Such features make them highly desirable for developing new quantum technologies, especially involving electromagnetic field sensing. In this proposal, we intend to investigate hot and cold Rydberg atomic samples as prototypes for quantum technologies involving microwave sensing.Goals:

In this project, we will produce a translational and rovibrational cold Rb2 supersonic molecular beam using a Zeeman slowing and optical pumping techniques. The main goal is to obtain a single quantum state molecular beam, which will allow us to perform spectroscopical andcollisional experiments. The experiment will be carried out at Prof. Marcassas group, at University of São Paulo in São Carlos. Dr. Bouloufas group will carry out molecular structure calculations which will be implemented into various numerical codes for dynamical calculations (grid methods, wave packet propagation, close coupling methods), at Laboratoire Aimé Cotton in Orsay. Their predictions will contribute to guide experimental investigations, and to interpret experimental results, leading to positive experiment#8208;theory feedback.

Átomos de Rydberg são extremamente sensíveis à campos eletromagnéticos de microondas. Neste projeto, propomos construir uma armadilha magneto-óptica dentro de uma cavidade de microondas onde átomos de Rydberg serão excitados. Isso nos permitirá investigar: i) a influência da cavidade de microondas no tempo de vida dos estados de Rydberg; ii) medir com precisão campos de microondas através de espectroscopia de transparência eletromagnética induzida (EIT); iii) a manipulação de interações entre átomos de Rydberg. Esses experimentos permitirão uma melhor compreensão da interação de microondas com os átomos de Rydberg.

This project joins the efforts of one experimental group from University of Saô-Paulo, Saô-Carlos (USP-SC) and one theoretical group from laboratoire Aimé Cotton, CNRS, Orsay (LAC) who collaborate for several years on the formation of ultracold Rb2 molecules. The proposal is built upon two main objectives mixing experimental and theoretical aspects:(i) The experimental achievement of laser-cooling and trapping of Rb2 molecules from a supersonic molecular beam, guided by simulations elaborated using molecular structure calculations;(ii) The investigation of suppression of bi-molecular collisions using optical laser light which is blue-detuned from a well chosen electronic molecular transition;(iii) The search for ultracold inelastic and reactive collisions between Rb2 molecules, possibly assisted by light, including photoassociation and formation of stable Rb4 molecules.

Nowadays, there is an interest to produce sensors for oscillating electric fields with frequencies between 1 kHz and 1 THz using Rydberg atoms [1,2]. Such highly excited atoms, which can be larger than a human blood cell, are extremely sensitive to electromagnetic fields. In one hand, such sensibility makes them perfect candidates for electromagnetic field sensors. On the other hand, it is very inconvenient, because it makes particularly challenging to excite them to a single high quantum number state (n > 80), because spurious electromagnetic field can mix the atomic states. In a recent paper, Meyer and co-workers have calculated the sensitivity of such Rydberg based sensors in a broad frequency range [3], and they found that such sensors are competitive with other existent technologies (EO crystals and dipole antenna-coupled passive electronics). The fact that they can be linked directly to fundamental constants is very appealing too.

The development of cooling and trapping techniques for diatomic polar molecules is motivated by their wide range of potential applications, which are associated with their long-range dipole-dipole interaction and complex internal structure. Spectroscopy in cold trapped molecules has the potential to improve fundamental physics tests, such as parity violation, searches of fundamental constant variation and measurement of the electrons electric dipole moment. A new molecular chemistry, involving a single quantum state, is also expected to play an important role in such cold samples. Besides, cold trapped polar molecules have been proposed for quantum computation as well as simulator of strong interacting quantum systems. While such applications are all very exciting, the production of a cold and dense molecular sample is still very challenging. The main difficulty is that laser cooling cannot be applied directly to molecules since they generally do not possess a suitable closed optical transition, like in atomic systems. So, two classes of approaches have been developed over the last two decades to produce cold molecules. On one hand, various techniques employing cold buffer gas, electric, magnetic and optical external fields are directly applied to preformed molecules. Direct laser-cooling and magneto-optical trapping of SrF and CaF has been demonstrated, but it is limited to a small class of molecules that present an almost closed transition, still necessitating however the generation of numerous laser frequencies. On the other hand, a pair of ultracold atoms can be bonded either by photoassociation (PA) followed by radiative emission (RE), or by magnetoassociation (MA) via a magnetic Feshbach resonance. Both techniques present important limitations. The ground-state molecules created by PA and RE are spread over many vibrational levels with weak or moderate binding energies. Those created by MA necessitate quantum degenerated ultracold atomic gases to adequately match the mediating Feshbach resonance and are formed in weakly-bound levels which are fragile against collisions. A supplementary step of population transfer by optical mean toward more stable levels is required. Therefore, the development of techniques that can be applied to any molecule is still an ongoing motivation. In this project, we will investigate collisions between cold homonuclear molecules held in a magneto-optical trap, both theoretically and experimentally. The experiment will be carried out at Prof. Marcassas group at the University of São Paulo in Brazil. The main goal in this project is to study collisions in a cold trapped molecular sample in a well-defined quantum state. Such collisions will involve atom-molecule and molecule-molecule collisions in homonuclear samples (Rb#8208;Rb2 and Rb2-Rb2). The French group, led by Dr. Bouloufas, will carry out molecular structure calculations which will be implemented into various numerical codes for dynamical calculations (grid methods, wave packet propagation, close coupling methods). Such calculations will allow them to describe cold atom#8208;molecule and molecule#8208;molecule collisions, to provide estimates for collisional rates. Their predictions will contribute to guide experimental investigations, and to interpret experimental results, leading to a positive experiment#8208;theory feedback.

Nos últimos anos, nosso laboratório dominou completamente a técnica de armadilha óptica de dipolo. Atualmente, produzimos de forma cotidiana amostras aprisionadas de uma ou duas espécies atômicas utilizando um laser de alta potência em 1.06 µm. Tais amostras possuem em geral 106 átomos aprisionados em densidades de 1012 átomos/cm3 e temperaturas menores que 20 µK. Atualmente, esta amostra aprisionada é o ponto de partida de qualquer experimento moderno em Física Atômica. 
Seria muito desejado, podermos fazer as mesmas manipulações com moléculas frias. Contudo, o resfriamento e aprisionamento de moléculas é muito complexo. Mas utilizando nossos resultados recentes, acreditamos que seremos capazes de realizar tal proeza. Assim, o objetivo deste projeto é desacelerar um feixe supersônico molecular de Rb2 e KRb para aprisionamento em uma armadilha magneto-óptica molecular.

Experimentos envolvendo átomos de Rydberg frios e Moléculas frias dependem fortemente de lasers altamente estabilizados em frequência. A forma mais adequada de implementarmos isso é através do travamento da frequência em cavidades ópticas altamente estabilizadas. Tais cavidades são estabilizadas em temperatura e são isoladas em vácuo. Atualmente, o principal fabricante destas cavidades cobra valores entre 40-50 mil doláres por uma cavidade, a qual em geral só permite a o travamento de dois lasers de frequências distintas. O objetivo deste projeto é a construção de duas cavidades ópticas para a estabilização de quatro comprimentos de ondas distintos para experimentos envolvendo átomos de Rydberg e Moléculas Frias. Isso melhorará a qualidade de nossos experimentos à custo relativamente baixo.

This project is based on current work taking place in the research group of Professor Luis Marcassa at the University of São Paulo (USP) and Prof. James Shaffer at the University of Oklahoma (OU). Experiments on Rydberg atom- Rydberg atom interactions will be conducted to study their anisotropy using novel Rydberg atom imaging and time-of-flight methods. The results of these experiments will be compared to theory done by the research group at OU. Specifically, the strength of the anisotropic interaction between Rydberg atoms polarized in an electric field will be measured by 3 dimensional imaging spectroscopy of single collisions between pairs of Rydberg atoms and compared to our calculations. At the University of São Paulo, experiments on anisotropic Rydberg atom interactions using optical lattices and different shaped traps will be investigated. These experiments will measure collisional loss rates as a function of electric field direction, electric field magnitude and trap geometry. The results of the experiments in São Paulo will be compared to calculations conducted at the University of Oklahoma.

Nos últimos anos, nosso laboratório dominou completamente a técnica de armadilhas ópticas de dipolo. Atualmente, produzimos de forma cotidiana amostras aprisionadas de uma ou duas espécies atômicas, utilizando lasers em 1.06 µm e ou em 10.6 µm. Tais amostras possuem em geral 106 átomos aprisionados em densidades de 1012 átomos/cm3 e temperaturas menores que 20 µK. Atualmente, esta amostra aprisionada é o ponto de partida de qualquer tipo de experimento moderno em Física Atômica. 
O objetivo deste projeto é utilizar nossas armadilhas ópticas de dipolo para manipular os processos colisionais, seja envolvendo átomos de Rydberg e ou colisões heteronucleares. Com átomos de Rydberg, desejamos estudar a anisotropia nos potenciais de longo alcance através de microestruturas espaciais. Nas amostras heteronuclear, utilizaremos a armadilha de dipolo para aprisionar a amostra atômica heteronuclear; fotoassocia-lá e aprisionar as moléculas frias. Processos de bombeamento serão utilizados para produzir moléculas no estado vibracional fundamental.

Recently, we have loaded atoms into a CO2 dipole trap and excited Rydberg atoms in such sample. In this project, we plan to study the interactions between cold Rydberg atoms in the dipole trap, specially the anisotropy of the dipole-dipole interaction. In order to accomplish such task, we will use different spatial distribution of cold Rydberg atoms. In the next section, we will describe such experiments in more details.

Nos últimos oito anos nosso laboratório tem desenvolvido em conjunto com o Fundecitrus um projeto de aplicação de tecnologia fotônica para detecção de doenças em citros. Iniciamos utilizando a técnica de fluorescência induzida a laser com um espectrômetro à fibra óptica. Concluímos que a definição do posicionamento da ponta de prova da fibra óptica ocasionava problemas de classificação das doenças. Por esta razão investimos na técnica de imagem de fluorescência utilizando leds de alta potência como fontes de excitação. Devido a complexidade na análise das imagens estabelecemos recentemente uma colaboração científica com o Prof. Reza Ehsani, do Citrus Research and Education Center da Universidade da Flórida, e o Prof. Cristian Dima do Robotics Institute da Universidade Carnegie Mellon.Apesar do potencial desta técnica, observamos duas limitações: i) Como usamos uma roda de filtros só pudemos investigar alguns comprimentos de onda de fluorescência; ii) Os leds de alta potência tem bandas de emissão, além da principal, que não permitem algumas imagens de fluorescência. Um exemplo é o led em 405 nm que apresenta uma banda de emissão em 590 nm. Estes fatores limitaram os parâmetros que podiam ser investigados. Neste novo projeto desejamos eliminar estes problemas construindo um novo sistema que utilizará um filtro variável e filtros específicos nos leds. Isto nos permitirá identificar se há bandas de fluorescências específicas para cada doença. Vistos os resultados do projeto anterior nos limitaremos as seguintes doenças: Cancro Cítrico, Verrugose, Greening, Gomose e Rubelose, além de deficiência de Zinco.

As armadilhas ópticas de dipolo já foram utilizadas com sucesso para o aprisionamento de átomos e moléculas, inclusive levando à obtenção de condensados bosônicos atômicos. No momento, há propostas para o uso deste tipo de armadilha na obtenção de condensados moleculares. Neste projeto propomos aprisionar átomos de Rubídio e Potássio em uma armadilha óptica de dipolo para a produção de moléculas heteronucleares frias de KRb via fotoassociação. Após o aprisionamento, dois mecanismos distintos serão investigados para transferir as moléculas para o estado vibracional fundamental (ν=0) do estado eletrônico fundamental (1Σ+). Isto nos permitirá obter uma amostra molecular purificada, a qual eventualmente poderá ser levada à condensação.

O objetivo deste projeto é o desenvolvimento de amplificadores para sistemas de laser de diodo de baixa potência.

No IFSC/USP há vários pesquisadores que utilizam lasers pulsados para estudar, caracterizar e manipular diversos sistemas físicos distintos em Física Atômica e em Matéria Condensada. Em Física Atômica, átomos de Rydberg frios e moléculas heteronucleares frias são explorados por pulsos de luz de nano e femtossegundos. Em Física da Matéria Condensada, lasers de pico e femtossegundos são utilizados para a caracterização de propriedades ópticas não lineares de moléculas orgânicas e para estudar seu arranjo em superfícies e interfaces, bem como em microfabricação por fotopolimerização induzida por absorção multifotônica. Estes projetos fazem parte de três distintos Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia, de Informação Quântica, Fotônica e Eletrônica Orgânica.
Em todos estes experimentos, os pesquisadores enfrentam um problema em comum, a necessidade de caracterizar e manipular tais pulsos de luz de forma a compreender e modelar os experimentos realizados. A caracterização/manipulação de tais feixes de luz necessita de vários equipamentos separados, os quais não são continuamente utilizados por apenas um pesquisador e/ou projeto. Os custos destes equipamentos são consideráveis, tornando difícil sua aquisição para apenas um projeto/laboratório. Além do mais, não faz sentido duplicar ou triplicar a compra de tais equipamentos em uma mesma instituição como o IFSC/USP, onde eles podem ser comutados sem dificuldades entre os diferentes laboratórios.
Desta forma, o objetivo deste projeto é a compra de um conjunto de equipamentos para caracterização/manipulação de pulsos de laser que será utilizado por um grupo de pesquisadores, trabalhando em diferentes áreas de pesquisa. A aquisição destes equipamentos permitirá que pesquisadores de três INCT?s distintos caracterizem e manipulem tais pulsos de luz da forma mais adequada às suas necessidades. Outras instituições participantes dos INCT?s e que mantém ativa colaboração com os pesquisadores associados deste projeto também

The main goal in this research is to build an experimental setup which will allow us to image the Rydberg atoms trapped in the CO2 lattice. To achieve this goal, we will start by trapping the Rydberg atoms in an optical dipole trap. Using this sample we shall study the AC Stark effect due to the CO2 laser in molecular resonances that we have observed [11]. We also plan to use the image system and observe the Rydberg sample in the dipole trap. In the sequence, we plan to transform the dipole trap in one dimensional lattice and study the molecular resonances due to the AC Stark effect and the atomic motion in the lattice. We hope that the lattice will suppress such effects.

É fundamental ter um suporte teórico considerável para interpretar os processos colisionais que ocorrem entre átomos de Rydberg frios. Isto envolve o cálculo dos potenciais de diversas simetrias e suas interações. É importante lembrar que no cálculo destes potenciais é necessário considerar vários estados próximos na teoria de perturbação de segunda ordem, já que o espaçamento em energia entre os estados de Rydberg é muito pequeno e decresce com 1/n3 (n é o número quântico principal). Estes estados ainda são extremamente suscetíveis a campos externos, principalmente o campo elétrico via o efeito Stark. Resumindo, isso leva a diagonalização de matrizes imensas, o que requer supercomputadores trabalhando por semanas a fio. Apenas dois grupos no mundo têm condições de levar a cabo tal tarefa, e um deles é do Grupo da Universidade de Oklahoma. Tais cálculos são fundamentais para a interpretação dos experimentos envolvendo átomos de Rydberg para vários grupos no mundo. Uma colaboração com este grupo nos garantirá uma prioridade no cálculo de tais potenciais e nos colocando em vantagens em relação a demais grupos de pesquisa no mundo. O grupo de Oklahoma por sua vez terá acesso a dados obtido por uma técnica distinta em um átomo distinto, o que permitirá assim também complementar seus modelos teóricos. Além disso, este projeto nos dará subsídios para buscar efeitos de muitos corpos em tais amostras aprisionadas.

A produção de gases quânticos, tanto bosônicos como fermiônicos, é uma realidade atualmente em vários laboratórios no mundo. Infelizmente, devido à natureza quântica dos férmions, sua produção em ultra baixa temperaturas só pode ocorrer através do contato com um gás bosônico, requerendo assim uma mistura de espécies atômicas. Após a produção destas misturas, inúmeros experimentos podem ser realizados, como por exemplo: criação de vórtices, superfluidez, termodinâmica, produção de moléculas polares, e transição de Mott de superfluído para isolante. A transição de Mott em condensados bosônicos tem o potencial de permitir uma interface entre a Física Atômica e a Física da Matéria Condensada. Neste projeto proponho iniciar uma nova linha de pesquisa em meu laboratório envolvendo gases quânticos bosônicos e fermiônicos aprisionados em uma armadilha de dipolo. O objetivo principal deste projeto é estudar as colisões atômicas neste regime de temperatura, tanto envolvendo amostras heteronucleares (KRb) quanto átomos de Rydberg. Ambas as áreas enquadram-se em uma evolução natural de pesquisas bem sucedidas em meu laboratório. Os experimentos planejados nestas amostras envolvem a obtenção de um condensado de Rb em uma armadilha de dipolo; obtenção de um gás fermiônico de K em uma mistura K/Rb; formação e estudo de moléculas homonucleares e heteronucleares em armadilha de dipolo; e átomos de Rydberg em armadilhas de dipolo. Ao final deste projeto estaremos em condições de iniciar uma nova era de experimentos envolvendo a transição de Mott.

Há alguns anos esta sendo desenvolvido um projeto em conjunto entre o Laboratório de Interações Atômicas da USP-São Carlos e o Fundecitrus. Seu objetivo é a caracterização espectroscópica de plantas com cancro cítrico, em comparação com tecidos sadios e também expressando outras doenças, de forma a identificar possíveis características espectroscópicas únicas de uma planta com cancro cítrico. Nossos últimos resultados mostraram que a técnica de espectroscopia de fluorescência puntiforme é muito sensível embora apresente baixa especificidade na detecção do cancro cítrico. Concluímos que isso era devido a imprecisões no posicionamento da ponta de prova da fibra óptica.O objetivo deste projeto é realizar imagens de fluorescência utilizando um sistema portátil para determinar a viabilidade de sua aplicação no campo.