Theses

PhD Thesis:

Neven Šantić,
Synthetic Lorentz force for neutral cold atoms
Department of Physics, University of Zagreb
February 2018.
supervisor: Ticijana Ban

Extended abstract:
Presented in this thesis are results of research on two topics in the field of cold atoms.These topics are connected by the fact they both employ laser induced forces caused by momentum transfer from photons to atoms. In both cases the laser induced forces change the velocity distribution of the atomic ensemble. In the first part of the thesis a new way to implement a synthetic Lorentz force into a cold atomic gas is presented. The synthetic Lorentz force (SLF) is based on radiation pressure and the Doppler effect, making it straightforward to implement in a large volume, for a broad range of velocities, and can be extended to different geometries. The force is perpendicular to the velocity of an atom, and zero for an atom at rest. This SFL is experimentally demonstrated in a system of cold rubidium atoms in two scenarios: first, by observing the center-of-mass motion of a cold atomic cloud and second, by observing the angular deflection of a rotationally asymmetrical cloud when released from a magneto-optical trap. The introduction of synthetic magnetism into the system of cold thermal atoms makes it an excellent candidate to emulate numerous complex classical systems, for example a tokamak fusion reactor or a star. In the second part of the thesis, the possibility of laser cooling with a frequency comb (FC) is explored. For this purpose a scheme for full stabilization of a fiber based FC that does not require traditional self-referencing is developed and implemented; the repetition frequency is locked to a stable microwave reference while the offset frequency is indirectly stabilized by referencing the frequency comb to a continuous wave laser that is stabilized by polarization spectroscopy in rubidium vapor. The FC stabilized in this way is used to cool rubidium atoms on a dipole-allowed transition at 780 nm to sub-Doppler temperatures. Temperatures as low as 55 μK were measured in a one-dimensional FC cooling geometry using the time-of-flight method. Laser cooling with FCs could enable achieving sub-Doppler temperatures for atoms with dipole allowed transitions in the vacuum ultraviolet. This can significantly improve the precision of optical frequency standards, enable measurements of fundamental constants with unprecedented accuracy, and open up the possibility to reach quantum degeneracy with atoms that have optical transitions unreachable by continuous wave lasers such as hydrogen, deuterium and antihydrogen.

Gordana Kregar,
Utjecaj vanjskog koherentnog zračenja na rubidijeve atome u magnetno-optičkoj stupici
Department of Physics, University of Zagreb
October 2014.
supervisor: Ticijana Ban

Extended abstract:
In this dissertation a cloud of cold rubidium atoms confined in a magneto-optical trap (MOT) has been realized. The laser cooling and trapping technique was implemented in the Laboratory for femtosecond frequency comb spectroscopy at Institute of Physics for the first time, so this work opens a new area of research. The cloud of cold atoms, containing ∼10^9 87Rb, Fg= 2, in volume∼ 3mm^3, density of ∼10^11 atom/cm^3 in typical MOT operating conditions was obtained. Detailed characterization of the cloud has been done and the Doppler model for the real atomic system of rubidium 87 atoms was applied to describe the radiative force. The main focus of this work is investigation of the coherent continuous (cw) or pulsed (femtosecond) radiation effects on rubidium atoms in MOT. Atomic motion in the trap can be described with a damped harmonic oscillator model. A new technique for monitoring cold cloud center of mass oscillations induced by cw laser, tuned to rubidium resonant transition has been introduced. With this method the basic trap parameters, such are spring constant, damping coefficient and atom temperature are determined. For various trap working conditions an effective saturation intensity of 87 Rb D1 (Fg=2→Fe= 2) transition is, for the first time, determined through experimentally and theoretically investigated rubidium excited Fe= 2 state population depending on the probe beam intensity. Also, the radiative force ofthe probe D1 laser on cold cloud is measured and theoretically modelled. Interaction of cold rubidium cloud with femtosecond (fs) pulses has been studied in three different experimental configurations; interaction of cold atoms with single fs train of pulses, with two in-phase counterpropagating fs pulses and with two out-of-phase counterpropagating fs pulses. In all three described geometries the LIF signal and radiative force are experimentally determined and compared with theoretical model, based on optical Bloch equations (OBE) for two energylevel atom

Dario Jukić,
Nonequilibrium dynamics of exactly solvable one-dimensional many-body Bose systems
Department of Physics, University of Zagreb
February  2012.
supervisor: Hrvoje Buljan

Karlo Lelas,
Correlations in strongly-interacting one-dimensional many-body systems
Department of Physics, University of Zagreb
July  2012.
supervisor: Hrvoje Buljan

_______________________________________________________________________________________________

Master Thesis:

Domagoj Kovačić,
Stvaranje superkontinuuma u nelinearnom optičkom vlaknu
Sveučilište u Zagrebu, PMF, Fizički odjek
rujan 2017.
mentor: Damir Aumiler

U ovom diplomskom radu proučeno je stvaranje spektralnog superkontinuuma propagacijom femtosekundnih laserskih pulseva u nelinearnom optičkom vlaknu. Kao izvori svjetlosti korišteni su Er:dopirani femtosekundni fiber laser u Laboratoriju za hladne atome i Ti:Safir femtosekundni laser u Laboratoriju za femtosekundnu spektroskopiju Instituta za fiziku. Izmjereno je vremensko trajanje i spektar pulseva te je proučeno stvaranje spektralnog superkontinuuma u ovisnosti o ulaznim parametrima pulsa. Osim eksperimentalnih mjerenja, proučena je teorijska pozadina stvaranja superkontinuuma dana generaliziranom nelinearnom Schrödingerovom jednadžbom. Napravljene su numeričke simulacije vremenske i spektralne evolucije pulsa. Spektralni superkontinuum dobiven u ovom diplomskom radu omogućava daljnji rad na stvaranju još širih spektralnih superkontinuuma s ciljem karakterizacije frekventnog češlja Er:dopiranog femtosekundnog lasera korištenjem 2f-3f samoreferentne sheme.

Danijel Buhin,
Optomehanika hladnih atoma uzrokovana femtosekundnim laserskim zračenjem
Sveučilište u Zagrebu, PMF, Fizički odjek
srpanj 2017.
mentor: Ticijana Ban

U ovom radu proučavala se sila zračenja niza femtosekundnih pulseva na oblak hladnih atoma rubidija. Atomi rubidija hladili su se pomoću magneto-optičke stupice. Osim mjerenja ispitana je teorijska pozadina sile zračenja na atome koju stvara jedan niz femtosekundnih pulseva te dva niza suprotnopropagirajuća niza femtosekudnih pulseva. U slučaju s dva niza femtosekundnih pulseva promatrana su dva slučaja faznog odnosa izmedu pulseva, slučaj kada su pulsevi u fazi i kada su pulsevi u protufazi. Mjerenja sile zračenja provedena su za jednu granu femtosekundnih pulseva te za dvije grane femtosekundnih pulseva koji se propagiraju u suprotnim smjerovima. Sila zračenja jedne grane pulseva slaže se s teorijskim modelom. U slučaju mjerenja s dvije grane, mjerili smo u dvije konfiguracije, u konfiguraciji ”u fazi” i ”u protufazi”. Za konfiguraciju ”u protufazi” očekujemo da na atom ne djeluje sila zračenja. Mjerenjima smo pokazali kako u slučaju ”u fazi” pomak centra mase oblaka hladnih atoma posljedica je geometrije laserskih zraka te nejednakih intenziteta. Osim što smo proučavali silu zračenja, izmjerili smo spektralne širine lasera koje koristimo u eksperimentu.

Ana Cipriš,
Hlađenje atoma optičkim frekventnim češljem
Sveučilište u Zagrebu, PMF, Fizički odsjek
lipanj 2017.
mentor: Ticijana Ban

U ovom diplomskom radu proučavano je hlađenje atoma 87Rb optičkim frekventnim češljem koji nastaje uslijed visoko stabiliziranog zračenja femtosekundnog lasera. Atomi  su se hladili pobuđivanjem 5 2S1/2 (F = 2) → 5 2P3/2 (F ′ = 3) prvog rezonantnog elektronskog prijelaza u atomu 87Rb točno određenom spektralnom linijom frekventnog češlja. Temperatura atoma se određivala korištenjem tehnike vremena proleta. Mjerene su temperature za različite konfiguracije polarizacija suprotno propagirajućih femtosekundnih laserskih zraka, kao i ovisnost temperature o magnetskom polju i vremenu interakcije s femtosekundnim laserom. Opaženo je hlađenje do sub-Dopplerovih temperatura s najnižom izmjerenom temperaturom od 66 µK, što predstavlja, prema našim saznanjima, prvu eksperimentalnu realizaciju sub-Dopplerovih temperatura koristeći optički frekventni češalj. U svrhu usporedbe sa standardnim tehnikama hlađenja utemeljenim na kontinuiranim laserima, mjerenja su se ponovila koristeći kontinuirani laser umjesto frekventnog češlja. Dobiveno slaganje izmjerenih temperatura potvrđuje upotrebu optičkog frekventnog češlja za hlađenje atoma, čime se otvara niz novih mogućnosti kao što je hlađenje atoma s prvim rezonantnim prijelazima u ultraljubičastom/vakuum ultraljubičastom dijelu spektra, području nedostupnom emisiji kontinuiranih lasera.

Nikolika Nekić,
Dinamika hladnih atoma rubidija zatočenih u magneto-optičku stupicu
Sveučilište u Zagrebu, PMF, Fizički odsjek
srpanj 2014.
mentor: Ticijana Ban

In this thesis Doppler and sub-Doppler cooling mechanisms were studied. Control of the experiment is described in detail, including the acousto-optical modulators that control the direction and the frequency of the laser beam, and the time control. Fluorescence of the atoms is recorded with the camera. Temperature of the atoms in the cloud is measured using the time of flight technique. Temperature dependence on the intensity and frequency of the cooling laser is observed. The measured values showed a good agreement with the theoretical model for sub-Doppler cooling. The lowest temperature we measured was T=21.95 μK. Center of mass movement due to the radiation pressure force from the pushing laser was measured in dependence of the laser frequency. A new method for measuring light shift was tested. It was concluded that more work on the experimental setup is needed in order to use this method, due to the very big sensitivity on many factors when dealing with such low temperatures and high resolution.

Tena Dubček,
Sintetička Lorentzova sila na neutralne atome
Sveučilište u Zagrebu, PMF, Fizički odsjek
rujan 2013.
mentor: Hrvoje Buljan

U ovome radu istraživala sam mogućnost konstrukcije sintetičke Lorentzove sile za hladni, kvantno nedegenerirani, neutralni atomski plin te njena svojstva. Krenula sam od ideje u kojoj se na oblak neutralnih atoma djeluje s dva medusobno okomita lasera koji uzrokuju niz dvofotonskih prijelaza. Pritom zbog atomskog gibanja dolazi do Dopplerovog pomaka frekvencija laserskog polja. Tako, mehanizmom sličnim slučaju Dopplerove sile gušenja, nastaje sila ovisna o okomitoj komponenti brzine, što je svojstveno Lorentzovoj sili. Pokazala sam da dodavanje drugog para lasera sintetizira Lorentzovu silu za jedan smjer brzine. Poopćenje sintetičke Lorentzove za proizvoljan smjer brzine postigla sam korištenjem tri para lasera. Model sam primjenila na atom 87Rb. Do rezultata sam došla poluklasičnim pristupom u formalizmu matrica gustoće, numeričkim putem koristeći paket Matlab. Iznijela sam i rezultate modeliranja realnog eksperimentalnog sustava plina 87Rb koji se nalazi u magneto-optičkoj klopci, koje smo dobili uz sintetičku silu konstruiranu pomoću dva para lasera. Time smo omogućili usporedbu s eksperimentalnim rezultatima te, u konačnici, i eksperimentalnu provjeru ove ideje konstrukcije sintetičke Lorentzove sile za hladne neutralne atome

Neven Šantić,
Lasersko hlađenje atoma
Sveučilište u Zagrebu, PMF, Fizički odsjek
srpanj 2012.
mentor: Ticijana Ban

U ovom diplomskom radu proučavano je stvaranje ultrahladnog oblaka atoma rubidija. Po prvi put je u Laboratoriju za femtosekundnu lasersku spektroskopiju na Institutu za fiziku karakteriziran sistem hladnih atoma za različite vanjske parametre, kao što su frekvencija i snaga korištenih lasera, gradijent magnetskog polja te pozadinska koncentracija atoma rubidija.
Objašnjeni su osnovni principi Doppler teorije laserskog hlađenja i uhvata atoma te su dobiveni eksperimentalni rezultati uspoređeni s istom. Izmjereno ponašanje parametara dobro se slaže s iznesenom Doppler teorijom. Najveću nepouzdanost pri utvrđivanju parametara unosi procjena saturacijskog parametra kao ključnog za procjenu sile na atome, a time i sve parametre MOT-a.
Također, uočene su zanimljive oscilacije centra mase oblaka oko položaja razvoteže. Pokazano je da se oscilacije mogu samo djelomično opisati iznesenim jednostavnim modelom. Zaključili smo da je za potpuniji opis ovih oscilacija potrebno je koristiti kompliciranije modele.
Daljnje istraživanje u ovom području obuhvaćat će proučavanje interakcije femtosekundnih lasera i hladnih atoma.