Single-atom motional dynamics in an optical dipole trap
Authors:   , Alves Natália Domingues 
Published: February 2024

(English) This thesis studies, using simulation and experiment, the motional dynamics of a single atom in an optical dipole trap. The optical dipole trap we study is a single-beam, red-detuned, far-off-resonance trap (FORT). This FORT is located at the centre of an arrangement of four high-NA lenses in the "Maltese cross'' geometry, which facilitates measurements based on atomic fluorescence. We make a detailed study, combining simulation with experimental measurements, of the temperature of the atom in this system. We note reasons why a single-temperature description could fail to describe the motional statistics of the atom in the trap. We then study the sensitivity of an established method, the release-and-recapture, to a possible anisotropic temperature distribution of the atom. We also measure the optical extinction produced by the atom, from which we extract a lower bound on the strength of interaction. Finally, we show with simulation results and experiments, how parametric excitation of the atom in the FORT can be used to manipulate its phase-space distribution, which can lead to an effective decrease or increase of the atom's kinetic energy.

(Català) Aquesta tesi estudia, mitjançant simulació i experiments, la dinàmica del moviment d'un sol àtom en un parany de dipol òptic. El parany de dipol òptic que estudiem és un parany fora de ressonància (far-off-resonance trap, FORT) d'un sol feix, dessintonitzat cap al vermell. Aquesta FORT està situada en el centre de quatre lents d'alta obertura numèrica en la configuració “ Maltese cross” , que facilita els mesuraments basats en la fluorescència de l'àtom. Realitzem un estudi detallat, combinant simulacions i experiments, de la temperatura de l'àtom en aquest sistema. Assenyalem les raons per les quals el model de l'àtom amb una temperatura única pot fallar en descriure les estadístiques del seu moviment en el parany. A més, estudiem la sensibilitat del ja establert mètode “ release and recapture” a una possible distribució anisotròpica de la temperatura de l'àtom. També mesurem l'extinció òptica causada per l'àtom, a partir de la qual extraiem un limiti inferior de la força d'interacció. Finalment, vam demostrar amb resultats experimentals i de simulacions, com l'excitació paramètrica de l'àtom a la FORT pot ser utilitzada per a manipular la distribució del seu espai de fase, portant a una disminució o augment efectiu de la seva energia cinètica.

(Español) Esta tesis estudia, mediante simulación y experimentos, la dinámica del movimiento de un solo átomo en una trampa de dipolo ´óptico. La trampa de dipolo óptico que estudiamos es una trampa fuera de resonancia (far-off-resonance trap, FORT) de un solo haz, desintonizado hacia el rojo. Esta FORT está ubicada en el centro de cuatro lentes de alta apertura numérica en la configuración “ Maltese cross” , que facilita las mediciones basadas en la fluorescencia del átomo. Realizamos un estudio detallado, combinando simulaciones y experimentos, de la temperatura del átomo en este sistema. Señalamos las razones por las que el modelo del átomo con una temperatura única puede fallar al describir las estadísticas de su movimiento en la trampa. Además, estudiamos la sensibilidad del ya establecido método “ release and recapture” a una posible distribución anisotrópica de la temperatura del átomo. También medimos la extinción óptica causada por el átomo, a partir de la cual extraemos un limite inferior de la fuerza de interacción. Finalmente, demostramos con resultados experimentales y de simulaciones, cómo la excitación paramétrica del átomo en la FORT puede ser utilizada para manipular la distribución de su espacio de fase, llevando a una disminución o aumento efectivo de su energía cinética.