Interações coletivas entre luz e átomos ultrafrios

• Processo: 25/20246-1
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado Direto
• Data de Início da vigência: 01 de dezembro de 2025
• Data de Término da vigência: 30 de novembro de 2026
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física Atômica e Molecular
• Pesquisador responsável: Philippe Wilhelm Courteille
• Beneficiário: Gustavo Henrique de França
• Supervisor: Sebastian Slama
• Instituição Sede: Instituto de Física de São Carlos (IFSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Instituição Anfitriã: Eberhard Karls Universität Tübingen, Alemanha
• Vinculado à bolsa: 23/10014-0 - Interação coletiva entre átomos e luz, biestabilidade e correlações quânticas mediadas por uma cavidade óptica, BP.DD
• Assunto(s): Átomos ultrafrios Cavidade óptica Interação luz-matéria Metrologia
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: átomos ultrafrios | cavidades ópticas | efeitos coletivos | Interação luz-matéria | Metrologia | sensoriamento quântico | Interferometria molecular

Resumo

Sistemas quânticos correlacionados estão no cerne das tecnologias modernas de informação quântica. Para aplicações em sensoriamento quântico, ensembles de átomos frios representam uma plataforma ideal, na qual fortes correlações podem ser engenhadas por meio de sua interação com um único modo de luz armazenado em uma cavidade óptica. Nos últimos anos, o grupo liderado pelo Prof. Ph. Courteille, no Instituto de Física de São Carlos, desenvolveu uma plataforma experimental em que átomos ultrafrios de estrôncio são excitados ressonantemente em uma transição óptica estreita e acoplados aos modos contra-propagantes de uma cavidade óptica anelar bombeada a laser. Um marco importante foi a primeira observação de comportamento biestável no regime quântico dominado pela saturação atômica, abrindo novas perspectivas para a realização de estados fracamente emaranhados e comprimidos em spin (spin-squeezed), com vistas a aprimorar o sensoriamento quântico.Em paralelo, o grupo liderado pelo Prof. S. Slama, na Universidade de Tübingen, estabeleceu uma plataforma experimental complementar para o estudo de interações coletivas entre átomos de Rydberg de rubídio, mediadas tanto por uma cavidade óptica quanto por mecanismos de bloqueio de Rydberg. Esse sistema realiza um modelo combinado de spin de Dicke-Ising, no qual a interação entre acoplamentos mediados pela cavidade e interações de longo alcance deve dar origem a novas fases quânticas de interesse para simuladores quânticos avançados.Apesar das diferenças entre as duas configurações - espécies atômicas distintas com propriedades bastante diversas - ambas se baseiam em técnicas experimentais semelhantes e abordam questões científicas intimamente relacionadas. Essa complementaridade torna a cooperação entre os dois grupos particularmente valiosa: enquanto a plataforma de São Carlos se concentra em aplicações de sensoriamento quântico baseadas em superradiância e compressão de spin, o arranjo de Tübingen explora fases coletivas emergentes da interação entre cavidade e Rydberg. Em conjunto, essas abordagens proporcionam ao bolsista uma oportunidade única de desenvolver uma compreensão abrangente de ensembles atômicos correlacionados em diferentes regimes, dominando tecnologias comuns como estabilização de lasers, design de cavidades e acoplamento átomo-luz. Essa sinergia não apenas ampliará a expertise do estudante, mas também fortalecerá a ponte colaborativa entre os grupos. (AU)