Voos de Lévy de fótons em vapores atômicos

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Macedo, Antonio Saldanio Matos
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal da Paraíba
Brasil
Física
Programa de Pós-Graduação em Física
UFPB
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/26067
Resumo: When the variance of a particle's displacement increases linearly in time, the Central Limit Theorem (TCL) is obeyed, and the distribution of probabilities of the particle's position will be Gaussian. On some systems, nonetheless, the probability of the particle performing a large step during the random walk, is not negligible, and the variance of the displacement grows faster than linearly in time. A particular mechanism for such superdi usive random walk are the Lévy ights, which has the step length probability distribution decaying asymptotically as |x|−1−α , with 0 < α < 2 a typical parameter of the system, which gives the slope of the "wings"of this distribution. When radiation (laser) focuses on one resonant atomic vapor, the incident radiation photons perform a walk random inside the vapor, through successive reabsorption and spontaneous remissions events called radiation trapping. This random walk is a superdifusion of the Lévy ight type, where the α parameter value depends on the absorption spectral pro le of sample, and can be measured from modi cation of Ohm's law, through the relationship between the di usive transmission, related to radiation trapping, with the opacity of the sample, a dimensionless quantity related to step size. For a Doppler pro le, the value α = 1.0 was theoretically obtained, and the value α = 1.47 was measured experimentally, while for a Lorentz pro le, the value α = 0.5 was theoretically obtained and con rmed experimentally. In the latter case, the random walk is quasi-ballistic, with an indeterminate average step size. In turn, for Voigt pro le, the α parameter was theoretically obtained in agreement with the Lorentz pro- le. However, the experimental con rmation has not been veri ed. Therefore, in this work, we measured Lévy's α parameter for the hot alkaline vapor absorption pro le, what is a Voigt pro le, that is, Gaussian around the line center and Lorentzian in the "wings"(in great detuning). The value of α parameter depends on the portion of the spectral pro le accessible for the photon that performs the random walk. For instance, for low opacity vapor (or low atomic density), the steps size in the Lorentzian wings are much longer than the sample length, and only photons emitted in the central gaussian portion perform a random walk in the cell, resulting in a parameter α = 1.2 ± 0.2. For higher densities, photons emitted in the lorentzian wings are reabsorbed and perform random walk resulting in a parameter α = 0.5 ± 0.04. In particular, we observed for di use light transmission TD as a function of the opacity r, a crossover in rc = 103 of the photonic transport, which divides the random walk in two regimes: bellow rc = 103, where only photons emitted in the Doppler nucleus are scattered by the vapour, while photons emitted in the lorentzian wings are not; and above rc = 103, where the photons emitted in the lorentzian wings are scattered by the vapour, resulting in large step that dominate the transport. Our results con rm that radiation trapping is characterized by an superdi usion of the Lévy ights type. Furthermore, given the nite size of the system, the characteristics of photonic transport for the Voigt absorption pro le are determined by a truncation in the system.
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spelling Voos de Lévy de fótons em vapores atômicosFísicaVoos de LévyAprisionamento de radiaçãoEspectroscopia laserVapor alcalinoPhysicsLévy flightsRadiation trappingLaser spectroscopyAlkaline vapourCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICAWhen the variance of a particle's displacement increases linearly in time, the Central Limit Theorem (TCL) is obeyed, and the distribution of probabilities of the particle's position will be Gaussian. On some systems, nonetheless, the probability of the particle performing a large step during the random walk, is not negligible, and the variance of the displacement grows faster than linearly in time. A particular mechanism for such superdi usive random walk are the Lévy ights, which has the step length probability distribution decaying asymptotically as |x|−1−α , with 0 < α < 2 a typical parameter of the system, which gives the slope of the "wings"of this distribution. When radiation (laser) focuses on one resonant atomic vapor, the incident radiation photons perform a walk random inside the vapor, through successive reabsorption and spontaneous remissions events called radiation trapping. This random walk is a superdifusion of the Lévy ight type, where the α parameter value depends on the absorption spectral pro le of sample, and can be measured from modi cation of Ohm's law, through the relationship between the di usive transmission, related to radiation trapping, with the opacity of the sample, a dimensionless quantity related to step size. For a Doppler pro le, the value α = 1.0 was theoretically obtained, and the value α = 1.47 was measured experimentally, while for a Lorentz pro le, the value α = 0.5 was theoretically obtained and con rmed experimentally. In the latter case, the random walk is quasi-ballistic, with an indeterminate average step size. In turn, for Voigt pro le, the α parameter was theoretically obtained in agreement with the Lorentz pro- le. However, the experimental con rmation has not been veri ed. Therefore, in this work, we measured Lévy's α parameter for the hot alkaline vapor absorption pro le, what is a Voigt pro le, that is, Gaussian around the line center and Lorentzian in the "wings"(in great detuning). The value of α parameter depends on the portion of the spectral pro le accessible for the photon that performs the random walk. For instance, for low opacity vapor (or low atomic density), the steps size in the Lorentzian wings are much longer than the sample length, and only photons emitted in the central gaussian portion perform a random walk in the cell, resulting in a parameter α = 1.2 ± 0.2. For higher densities, photons emitted in the lorentzian wings are reabsorbed and perform random walk resulting in a parameter α = 0.5 ± 0.04. In particular, we observed for di use light transmission TD as a function of the opacity r, a crossover in rc = 103 of the photonic transport, which divides the random walk in two regimes: bellow rc = 103, where only photons emitted in the Doppler nucleus are scattered by the vapour, while photons emitted in the lorentzian wings are not; and above rc = 103, where the photons emitted in the lorentzian wings are scattered by the vapour, resulting in large step that dominate the transport. Our results con rm that radiation trapping is characterized by an superdi usion of the Lévy ights type. Furthermore, given the nite size of the system, the characteristics of photonic transport for the Voigt absorption pro le are determined by a truncation in the system.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESQuando a variância do deslocamento de uma partícula aumenta linearmente no tempo, o Teorema Central do Limite (TCL) é obedecido, e a distribuição de probabilidades da posição da partícula será gaussiana. Em alguns sistemas, no entanto, a probabilidade da partícula realizar um grande passo durante a caminhada aleatória, não é desprezível, e a variância do deslocamento cresce mais rápido do que linearmente no tempo. Um mecanismo particular para tal passeio aleatório superdifusivo são os voos de Lévy, que possui a distribuição de probabilidade do tamanho dos passos decaindo assintoticamente como |x|−1−α, com 0 < α < 2 um parâmetro típico do sistema que fornece a inclinação das "asas"dessa distribuição. Quando uma radiação (laser) incide num vapor atômico ressonante, os fótons da radiação incidente realizam uma caminhada aleatória dentro do vapor, através de sucessivos eventos de reabsorção e reemissão espontânea chamada de aprisionamento de radiação. Essa caminhada aleatória é uma superdifusão do tipo voos de Lévy, onde o valor do parâmetro α depende do perfil espectral de absorção da amostra, e pode ser medido a partir da modificação da lei de Ohm, através da relac ão entre a transmissão difusiva, relacionada ao aprisionamento de radiação, com a opacidade da amostra, uma grandeza adimensional relacionada ao tamanho dos passos. Para um perfil Doppler, o valor α = 1.0 foi obtido teoricamente, e o valor α = 1.47 foi medido experimentalmente, enquanto para um perfil Lorentz, o valor α = 0.5 foi obtido teoricamente e confirmado experimentalmente. Nesse último caso, a caminhada aleatória é quase-balística, com tamanho médio dos passos indeterminado. Por sua vez, para perfil Voigt, o parâmetro α foi obtido teoricamente em concordância com o perfil Lorentz. Entretanto, a confirmação experimental não foi verificada. Portanto, neste trabalho, medimos o parâmetro α de Lévy para o perfil de absorção do vapor alcalino quente, que é um perfil Voigt, isto é, gaussiano em torno do centro da linha e lorentziano nas "asas"(grande dessintonização). O valor do parâmetro α depende da porção do perfil espectral acessível para o fóton que realiza a caminhada aleatória. Por exemplo, para vapor de baixa opacidade (ou baixa densidade atômica), o tamanho dos passos nas asas lorentzianas é muito maior do que o comprimento da amostra, e apenas fótons emitidos na porção gaussiana central executa um passeio aleatório na célula, resultando num parâmetro α = 1.2 ± 0.2. Para densidades mais altas, fótons emitidos nas asas lorentzianas são reabsorvidos e realizam caminhada aleatória, resultando num parâmetro α = 0.5 ± 0.04. Em particular, observamos para a transmissão da luz difusa TD em função da opacidade r, um crossover em rc = 103 do transporte fotónico, que divide a caminhada aleatória em dois regimes: abaixo de rc = 103, onde apenas fótons emitidos no núcleo Doppler são espalhados pelo vapor, enquanto os fótons emitidos nas asas lorentzianas não são; e acima de rc = 103, onde os fótons emitidos nas asas lorentzianas são espalhados pelo vapor, resultando em grandes passos que dominam o transporte. Nossos resultados confirmam que o aprisionamento de radiação é caracterizado por uma superdifusão do tipo voos de Lévy. Além disso, tendo em vista o tamanho finito do sistema, as características do transporte fotônico para o perfil de absorção Voigt são determinadas por uma truncagem no sistema.Universidade Federal da ParaíbaBrasilFísicaPrograma de Pós-Graduação em FísicaUFPBSilans, Thierry Marcelino Passerat dehttp://lattes.cnpq.br/9969764946296770Macedo, Antonio Saldanio Matos2023-01-31T14:45:26Z2022-07-042023-01-31T14:45:26Z2022-05-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/26067porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2023-05-22T16:44:55Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/26067Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| bdtd@biblioteca.ufpb.bropendoar:2023-05-22T16:44:55Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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