Astrophysics in Cold Atoms: Photon Bubble Turbulence

A pesquisa relatada neste manuscrito é dedicada ao estudo da dinâmica turbulenta que surge em átomos ultra-frios em condições de propagação incoerente de luz. Átomos frios são produzidos numa armadilha magneto-óptica iluminada por seis feixes de laser independentes. Para iluminação quase ressonante, os átomos interagem uns com os outros por processos frequentes de absorção e reemissão de fotões, que são espalhados várias vezes. À medida que o detuning dos lasers de arrefecimento e aprisionamento é aproximada da transição eletrônica, a propagação da luz torna-se aleatória, resultando num aprisionamento eficaz de radiação. Em tais condições, o fluido atômico é remexido por complexas dinâmicas espaço-temporais. A densidade atômica nos regimes estável e turbulento é examinada por meio duma técnica pumpprobe que desenvolvemos ad-hoc. O objetivo deste diagnóstico é superar as limitações devidas à integração da linha de visão que são comuns em métodos normais de espalhamento e absorção. Assim, somos capazes de visualizar diretamente a distribuição de densidade interna da nuvem atômica e caracterizar a sua estrutura espacial. Neste manuscrito descrevemos com precisão a configuração da diagnóstica e os princípios de funcionamento, e detalhamos os procedimentos experimentais e de análise que permitem investigar a estrutura local das flutuações da densidade atômica. As observações são então comparadas com as soluções analíticas para o modelo de turbulência de bolhas de fotões em átomos frios. Este modelo teórico é apoiado por simulações numéricas que permitem estender a sua validade para nuvens não homogêneas. Os resultados experimentais são consistentes com a descrição da turbulência impulsionada pela radiação difusiva e que se desenvolve no fundo do arrefecimento e aprisionamento dos lasers. A dinâmica turbulenta surge do crescimento e colapso contínuo das bolhas de fotões: a estrutura local de densidade média é caracterizada por um tamanho bem definido, exibindo assim, notavelmente, uma distribuição estatística não Kolmogorov. Esta tese contribui para fortalecer a analogia fluidodinâmica entre sistemas astrofísicos dominados por pressão de radiação e átomos ultrafrios produzidos em armadilhas magneto-ópticas. Essa semelhança pode ser útil para testar tanto as previsões de modelos complexos de plasma espacial quanto as técnicas sofisticadas aplicadas às medições de objetos espaciais.