Project Description

Átomos de sódio aprisionados em uma armadilha magneto-óptica (MOT).

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Neste experimento estamos interessados em estudar as propriedades estáticas e dinâmicas de condensados de Bose-Einstein de mistura atômica com interação variável. Para isso, utilizamos a combinação de sódio (23Na) e potássio (39K ou 41K) que apresenta excelentes condições para variar a interação entre as espécies atômicas.

Assim como acontece em misturas de fluídos clássicos, misturas de condensados atômicos podem ser miscíveis (em que os dois condensados ocupam o mesmo espaço) ou imiscíveis (em que os condensados permanecem espacialmente separados) como resultado da competição entre as interações intra- e interespécies. O regime de miscibilidade do sistema afeta diretamente o seu comportamento superfluido o que pode ser inferido a partir das suas propriedades dinâmicas. A nucleação de vórtices quantizados, uma das assinaturas de superfluidez nestes sistemas, exibe características interessantes no caso de misturas atômicas. Os processos de nucleação e organização dos vórtices são fortemente afetados pela presença de uma segunda espécie atômica, assim como a sua evolução para um estado de turbulência quântica.

O sistema experimental desenvolvido em nosso laboratório nos permite caracterizar os regimes de miscibilidade acessíveis à condensados de sódio e potássio e estudar a dinâmica de vórtices quantizados como função de interação entre espécies atômicas.

Condensado de 23Na e nuvem ultrafria de 39K

Imagens do condensado de 23Na (à esquerda) coexistindo com uma nuvem ultrafria de 39K (à direita).

A realização experimental de Condensados de Bose-Einstein de duas espécies atômicas é um grande desafio devido às dificuldades em garantir uma boa operação do sistema e da sequência experimental para ambas as espécies. No caso específico de átomos de sódio e potássio, a alta taxa de perdas de três corpos interespécies, presentes já nas fases iniciais do experimento, têm sido nosso maior desafio já que só podem ser minimizadas uma vez os átomos aprisionados em uma armadilha puramente óptica.

Em dezembro de 2021, conseguimos um resultado importante para o experimento: a obtenção de um Condensado de 23Na com cerca de 2 x 105 átomos coexistindo com uma nuvem ultrafria com cerca de 1 x 104 átomos de 39K a uma temperatura de apenas 80 nK.

Parabéns aos alunos que realizaram este grande resultado!

Regimes de miscibilidade

Condensados de mistura atômica apresentam um rico diagrama de fase no qual a transição da fase miscível, em que os dois condensados compartilham o mesmo espaço, para a fase imiscível, em que os condensados permanecem separados em fase com domínios bem definidos, pode ser estudada sob diferentes condições experimentais, e.g. potencial de aprisionamento, número de átomos, etc.
No caso de sistemas inomogêneos, como os gases aprisionados por potenciais harmônicos, caracterizar a transição miscível-imiscível requer algum cuidado e encontrar os melhores parâmetros experimentais nesta direção ainda é um desafio principalmente quando se levam em conta todas as condições experimentais. Em um trabalho recente, realizamos um estudo teórico do estado fundamental de um condensado de mistura atômica de 23Na-39K considerando condições experimentais reais como as que temos no experimento. Definido o overlap espacial das nuvens atômicas, encontrarmos o ponto de transição miscível-imiscível para diferentes razões do número de átomos de cada nuvem atômica. Este estudo possibilitará a caracterização direta dos regimes de miscibilidade da mistura 23Na-39K em nosso experimento.

E. M. Gutierrez, G. A. de Oliveira, K. M. Farias, V. S. Bagnato, P. C. M. Castilho
Miscibility regimes in a 23Na-39K quantum mixture
Appl. Sci. 11, 9099 (2021). pdf

Perfil de densidade do 23Na (em azul) e do 39K (em laranja) no regime imiscível.

O sistema experimental

Esquema do nosso sistema experimental

Nosso sistema experimental é composto de três câmaras de vácuo: duas câmaras (nas laterais da figura) utilizadas apenas como fonte de átomos, nas quais realizamos uma armadilha magneto-óptica (MOT) bidimensional para átomos de sódio e potássio de forma independente, e uma câmara principal (no centro da figura) na qual os átomos previamente resfriados são novamente aprisionados em um MOT tridimensional e onde toda a sequência experimental acontece até a obtenção do condensado de mistura atômica.

P. C. M. Castilho, E. Pedrozo-Peñafiel, E. M. Gutierrez, P. L. Mazo, G. Roati, K. M. Farias, V. S. Bagnato
A compact experimental machine for studying tunable Bose–Bose superfluid mixtures
Laser Phys. Lett. 16, 035501 (2019). pdf

E. Pedrozo-Peñafiel, F. Vivanco, P. C. M. Castilho, R. R. Paiva, K. M. Farias, V. S. Bagnato
Direct comparison between a two-dimensional magneto-optical trap and a Zeeman slower as sources of cold sodium atoms
Laser Phys. Lett. 13, 065501 (2016). pdf

Pessoas envolvidas:

  • Vanderlei Salvador Bagnato (Professor titular – IFSC)
  • Patricia Christina Marques Castilho (Professora Dra. – IFSC)
  • Kilvia Mayre Farias (Pesquisadora – IFSC)
  • Edward G. I. Salcedo (estudante de doutorado)
  • Cosme W. T. Chacca (estudante de mestrado)
  • Pedro M. Gaspar (estudante de IC)