Studio del fascio di atomi di Cesio prodotto da una trappola magneto-ottica piramidale

Questa tesi si inserisce nell’argomento generale della nanofabbricazione atomica, che consiste nella deposizione su un opportuno substrato di un pattern di atomi nanostrutturato mediante manipolazione laser. Nella tecnica, un fascio atomico attraversa una “maschera ottica”, costituita in pratica da un’onda stazionaria quasi risonante con una transizione atomica, che modifica le traiettorie degli atomi in modo controllato. Usando un fascio atomico “freddo” e “lento”, cioè fortemente collimato e dotato di bassa velocità longitudinale, il tempo di interazione tra atomi e maschera ottica può aumentare fino a realizzare il cosiddetto regime di channeling, che, rispetto alla modalità convenzionale di focussing, permette numerosi vantaggi applicativi (minore criticità di posizionamento del substrato, soppressione background non strutturato, efficienza generale del processo). Nel mio lavoro di tesi ho condotto esperimenti su un apparato di nanofabbricazione atomica che ha, quale elemento distintivo, lo stadio di produzione del fascio atomico “freddo” e “lento”. Questo stadio ha subito nel corso di questa tesi una profonda revisione, con la sostituzione di tutti i componenti rilevanti; scopo principale del mio lavoro è lo studio e la caratterizzazione del fascio atomico prodotto dalla nuova configurazione sperimentale. La specie atomica impiegata è il Cesio 133, scelto a causa della sua struttura atomica che lo rende particolarmente adatto al laser cooling e trapping, tecniche che sono ampiamente sfruttate nell’esperimento. Infatti le traiettorie degli atomi allo stato di vapore possono essere efficacemente manipolate per mezzo delle forze di natura sia dissipativa che conservativa che nascono dall’interazione tra atomo e radiazione in opportune condizioni. Tali forze sono responsabili rispettivamente della cattura e raffreddamento degli atomi a partire da un vapore termico e del funzionamento della maschera ottica. Il fascio di atomi freddi viene creato a partire da una trappola magneto-ottica (MOT) modificata in modo da permettere l’estrazione di un fascio continuo di atomi che si muovono con una velocità longitudinale dell’ordine della decina di m/s (oltre un ordine di grandezza inferiore alla velocità dei convenzionali fasci effusivi). A tale scopo è stata realizzata in questo lavoro di tesi una nuova Pyramidal-MOT di dimensioni maggiori rispetto a quelle della precedente configurazione. Essa è in sostanza una piramide cava, di lato 60 mm, fatta da prismi e specchi con superfici riflettenti dielettriche, dotata di un foro apicale di area circa 2 mm2. Un singolo fascio laser a polarizzazione circolare, prodotto da una coppia di laser a diodo in configurazione master-slave agganciati in frequenza a un’opportuna transizione iperfine del Cesio, è inviato nella piramide cava in modo da catturare e raffreddare gli atomi, che vengono spinti attraverso il foro a causa dello sbilanciamento della pressione di radiazione lungo l’asse della piramide. Il fascio atomico viene quindi collimato, cioè raffreddato in direzione trasversale, attraverso una melassa ottica bidimensionale generata da una coppia master-slave indipendente. Dopo la collimazione, il fascio mostra una divergenza residua inferiore alla decina di mrad e una densità di flusso dell’ordine di 1011 at/(cm2 s). In questo lavoro di tesi le caratteristiche del fascio sono state analizzate con diverse tecniche di natura ottica basate sull’interazione con un fascio laser di sonda, comprendenti spettroscopia di assorbimento e spettroscopia e imaging di fluorescenza, anche in configurazione di tempo di volo per la misura della velocità del fascio. Sono state studiate e realizzate diverse configurazioni sperimentali, rese possibili dal nuovo apparato, allo scopo di analizzare il fascio atomico in diverse posizioni, incluse quelle previste per la deposizione, e sotto un vasto intervallo di parametri di operazione. Le caratteristiche dinamiche del fascio atomico prodotto lo rendono un ottimo candidato per l’indagine di effetti legati al dettaglio della struttura atomica multilivello. In questo lavoro di tesi, oltre alle misure di caratterizzazione e all’ottimizzazione del fascio per le finalità della nano fabbricazione atomica, vengono anche riportati risultati sperimentali, interpretati sulla base di semplici simulazioni numeriche, originali riguardanti l’effetto del leaking tra livelli iperfini sulla morfologia dell’immagine di fluorescenza. Infine, in maniera più consona allo scopo principale dell’esperimento, vengono esposti i primi risultati, anche questi confortati da un sostanziale accordo con quanto ottenuto dalla modellizzazione numerica, sulla fattibilità di una configurazione modificata in cui al fascio laser di trappola viene sovrapposto un fascio laser di spinta (pushing beam) in grado di pilotare in modo controllato la fuoriuscita degli atomi dalla Pyramidal-MOT. La futura analisi dell’efficienza della nuova configurazione sarà utile in vista di un possibile impiego della nostra sorgente per deposizioni di piccole quantità deterministiche di atomi freddi su superfici, da considerare nell’ambito di un futuro progetto