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Item Centro de Ciências Ópticas e Fotônica(2015-12-08) Bagnato, Vanderlei SalvadorI. Description and Characteristics of the Center: The Center acts in the field of Optics. It engages in three principal activities: abroadly based multi-disciplinary research program in optical physics, materials, instrumentation and applications, education and science diffusion programs involving out-reach to students of high-school age and to adults, and an industrial associates program, where the partnership with small high-tech industries in optics allows research results to be incorporated into their products. The Center has a well-established optics shop that helps to support all these activities; II. Research Activities: The Center conducts research on the nature of light-matter interactions along three distinct axes: (1) basic research at the atomic scale, investigating the physics of dilute Bose-condensed gases and atom-atom interactions in the presence of optical fields; (2) materials and instrumentation research, emphasizing those properties of materials significant for the development of new optics instrumentation, and (3) development and application of optical solutions to problems in a wider social and economic context such as medicine, dentistry, ophthalmology and agriculture. Most of the research programs developed at the Center are multi-disciplinary and involves different fields of knowledge such as chemistry, mechanical and electrical engineering, biology and others; III. Knowledge Transfer. One of the important characteristics of the Center is to spread information in the field of Optics. In order to accomplish this goal, two programs are developed: a) Education and Science Diffusion: activities involving out-reach to students of high-school age and to adults have already been developed in an ad hoc way during the past three years. Six independent, but complementary programs are directed to education and diffusion of science, mainly in the field of Optics. These programs are: a) Semóptica (a week on optics); b) science diffusion through video production and the use of local public TV; c) high-school propagator program; d) library of optics in cyberspace; e) training in optical microscope maintenance for technicians and f) scientific initiation for undergraduate students; b) Industrial Associates Program. The Optics group has already a tradition in the association with high-tech industries. Their participation at the Center is planned to take place in three different stages: a) exploratory research, where members of the center will do research in partnership with the industry, aiming to solve some industrial problem they have or to verify the viability for the development of new techniques and products; b) prototype and instrumentation development, where the development of an instrument prototype is sought, and c) commercialization, where projects developed in association with industries and already being commercialized, will have a continuous up-grading; IV. Brief Justification for the Center: overlapping interests link and stimulate the three research branches described above, and the investigators involved in them. The possibility of unifying them within the Center will amplify this natural feedback interaction and will foster an environment of mutually stimulating intellectual activity. The relative financial and administrative independence will result in an agile international exchange program, which is vital to preserve research excellence. It will also speed up the process of equipment acquisition and maintenance. On the other hand, the group has been sought by high-school students and teachers, and several other professionals due to its success with basic research and technological developments. This intense demand has compelled us to develop activities related to the community and presently we have an intense multi-disciplinary research program, as well as interaction with the productive sector, and a commitment to education and diffusion. Up to now, we have accomplished the realization of most of these activities in an ad hoc way. The establishment of a center will strengthen the present activities, intensifying the desired collaboration between basic and applied science, besides promoting the cooperation with the industrial and educational sectors; V. University Contribution: The University of Silo Paulo contributes with several items necessary to run the Center. These items include: 1) Physical space - The Center for Optical Sciences will be located in an area of approximately 1700 m2, physically divided in two sectors. The first sector has a useful area of 1400 m2, and comprises laboratories of basic and applied research, secretary, staff and student offices, reading and meeting rooms, etc. It corresponds to about one half of the three-store main Physics building, at the campus entrance. The three floors are connected by stairs in a way to provide close vicinity among researchers. The first floor comprises the laboratories of ophthalmology, nonlinear optics, laser spectroscopy of solids, atomic and molecular physics, metrology, and several facilities such as machine shop, cold air, vacuum and water supplies. There is also an annex with 140 m2 that contains laboratories of spectroscopy (Raman, luminescence, nonlinear optics, etc.). The second floor comprises laboratories dedicated to activities related to industrial developments, video production for science diffusion, applications of lasers to medicine and dentistry, and material science. The third floor comprises staff and student offices, secretary, reading and meeting rooms, computers, etc. On this floor, there is room for 27 students and 7 professors. We should mention that there are also more offices for students and professors in other parts of the same building. The second sector, with an area of approximately 300 m2 constitutes the optics shop that develops and produces high precision optical components and instruments. This is a unique facility that we had to introduce in the past to have easy access to precision optical components. It carries out activities of lapping, polishing, thin films coating, tests, etc. This facility, where 6 technicians work full-time, is well established and operates since 1985, producing our own dielectric mirrors, lenses, prisms and others; 2) Salaries - The university provides the salary for professors, technicians and secretaries, which roughly amounts to R$ 660.000,00/year. Besides, most of our graduate students have scholarships from several different agencies (CNPq, CAPES and FAPESP); 3) Equipment - The Optics Group already has several equipments that roughly amounts to about 5 million dollars. The main equipments are: several large frame Ar+/Kr+ lasers, dye lasers, Nd:YAG lasers (CW, Q-switched, mode-locked), Ti:sapphire lasers (CW and KLM), UV-VIS spectrometers, 2 Balzers evaporators, several cutting, drilling, lapping and polishing machines, etc.; 4) Other facilities - The University provides mechanics shop, graphic and cryogenic facilities besides paying electricity and water consumption, telephone, etc.Item Átomos frios no regime quântico e não quântico: colisões atômicas e outros experimentos(2015-12-08) Bagnato, Vanderlei SalvadorDesde 1989, nosso laboratório tem feito esforços para formar uma adequada infra-estrutura que nos permitisse realizar pesquisas na área de átomos frios. Ao longo destes dez anos o laboratório foi formado, permitindo ao nosso grupo atuar de forma pioneira em vários tópicos envolvendo resfriamento e aprisionamento atômico. Foram 34 estudantes de pós-graduação formados, 120 artigos publicados em revistas internacionais, mais de 150 apresentações em conferências internacionais, vários artigos e conferências convidadas em encontros internacionais. Dois projetos temáticos e alguns projetos individuais permitiram que fosse possível criar nossa infra-estrutura. O projeto que agora apresentamos é uma continuação deste esforço, procurando sempre atuarmos assuntos modernos da Ciência. Neste projeto cobriremos três tipos de experimentos envolvendo átomos frios aprisionados por laser ou por campos magnéticos. Numa primeira classe de experimentos, continuaremos estudando colisões atômicas frias. Durante os últimos anos conseguimos ser os pioneiros no estudo de colisões heteronucleares frias. Neste projeto realizaremos uma seqüência de estudos relacionados com as misturas de alcalinos Na/K, K/Rb, Rb/Cs e K/Cs. Com isto teremos coberto todas as misturas e estaremos entendendo melhor o sistema Rb/Cs, considerado um dos melhores sistemas para a investigação de estados ligados heteronucleares usando a técnica de foto-associação de um e dois fótons. Conhecendo-se os estados ligados de longo alcance da molécula, pretendemos medir o chamado comprimento de espalhamento no caso heteronuclear (al2), usando para isto as chamadas oscilações de Franck-Condon nas linhas espectrais dos estados ligados. Ainda dentro das colisões frias pretendemos investigar a existência de colisões envolvendo mudança de estados hiperfinos. Este é um tema recente, com inúmeros debates, e que temos uma excelente alternativa para abordá-lo. Numa segunda classe de experimentos estaremos envolvidos com a Condensação de Bose-Einstein (BEC). Concluiremos o experimento que ora estamos realizando, envolvendo a condensação de átomos de sódio numa armadilha tipo "cloverleaf" cujas medidas termodinâmicas e colisões atômicas serão investigadas. Em seguida deveremos partir para a investigação de fenômenos críticos associados com a excitação de modos topológicos no condensado. Através de uma modulação espaço-temporal pretendemos estudar a dinâmica de transferência de átomos do estado fundamental do potencial para os estados excitados. Aspectos teóricos e práticos deste problema serão abordados. A conexão da armadilha mista com gases quânticos se dará na realização de um condensado misto envolvendo duas espécies simultaneamente. Neste novo sistema quântico, vários experimentos inéditos serão realizados. Finalmente numa terceira classe de experimentos pretendemos utilizar átomos frios em várias aplicações. Dando continuidade ao nosso programa de metrologia científica dentro do qual estamos construindo uma "fountain" atômica pretendemos colocá-la em funcionamento, avaliando seu desempenho e realizando estudos que envolvem medidas precisas de deslocamentos de freqüência como "collisional shift", "magnetic field shift" e outros. Além da aplicação de átomos frios em metrologia, também esperamos aplicá-los para a realização de medidas espectroscópicas de alta resolução e outros experimentos.Item Ciência para todos: um museu científico itinerante, utilizando kits interativos, tv e internet(2015-12-08) Bagnato, Vanderlei SalvadorApesar de a produção científica brasileira encontrar-se em ritmo crescente, o ensino de ciência no Brasil encontra-se em péssima situação, quando comparado com outros países do mundo. O Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica-CEPOF, um dos centros criados pela FAPESP, está sediado no Instituto de Física da USP de São Carlos. O CEPOF desenvolve inúmeras atividades, que incluem visitas a escolas públicas, programas de TV e exposições públicas. Nosso objetivo para este projeto é criar um museu itinerante de Ciências, que utilize os inúmeros recursos audiovisuais desenvolvidos nos últimos anos pelo CEPOF, associados a kits interativos e a exibições em TV. Tais recursos deverão ser utilizados para disseminar Ciência por meio das seguintes atividades: a) visita a escolas, através do programa 'A USP vai à sua escola'; b) produção de programas de TV e de vídeos que mostrem diversos tópicos da Ciência em uma linguagem mais acessível; c) exibições públicas em shoppings, correios e demais locais públicos, que permitam que milhares de pessoas tenham maior acesso à ciência; d) produção de novos materiais didáticos. Nosso grupo de pesquisadores já tem experiência neste setor, pois foi responsável pela montagem de um ônibus equipado com kits para análise de água e vários recursos visuais, por meio do projeto Planeta Água, que mostrou a importância do uso sustentável da água a milhares de pessoas. O ônibus encontra-se ativo atualmente, sob direção da ONG Mãe Natureza. Esperamos que, em médio prazo, todas as idéias desenvolvidas e materiais produzidos por deste novo projeto de Museu Itinerante, sejam distribuídos para outras regiões do estado de São Paulo e para outros estados brasileiros.Item Colisões ultra-frias e experimentos com gases no regime quântico(2015-12-08) Bagnato, Vanderlei SalvadorNeste projeto realizaremos estudos de colisões envolvendo átomos frios mantidos numa armadilha magneto-óptico e pretendemos obter uma amostra gasosa de átomos de sódio no regime de condensação de Bose-Einstein. Processos como mudança de estrutura hiperfina, photoassociação envolvendo os potenciais de longo alcance e fotoionizações associativas deverão ser estudadas para obtenção de secções de choque e potenciais interatômicos. O aprisionamento simultâneo de duas espécies atômicas distintas mantidas na mesma armadilha deverá proporcionar o estudo de colisões homo e heteronucleares. Na parte de condensação de Bose-einstein pretendemos desenvolver estudos que nos possibilite entender como o encontro atômico se processa neste regime quântico e também determinar certas propriedades termodinâmicas do gás como capacidade térmica e propriedades de transporte. Investigações sobre mudanças no comprimento de espalhamento causadas opticamente serão estudadas.Item Espectroscopia atômica de alta resolução em átomos e íons resfriados(2015-12-08) Bagnato, Vanderlei SalvadorNeste projeto estamos dando continuidade aos experimentos que nosso grupo vem realizando na área de física atômica no tema de espectroscopia com átomos e íons resfriados por laser. Estamos nos propondo a utilizar o fluxo de átomos lentos que já obtivemos para produzir um feixe intenso de átomos lentos que será utilizada para espectroscopia de ultra alta precisão para a determinação da constante de estrutura hiperfina de sódio, bem como a realização de armadilhas para átomos e íons e o ultra resfriamento de átomos. Nossa previsão é terminar o período com a realização de estudos envolvendo a formação de aglomerados metálicos.Item Experimentos com átomos aprisionados e feixes atômicos resfriados(2015-12-08) Bagnato, Vanderlei SalvadorPropomos a realização de experimentos envolvendo átomos frios desacelerados e aprisionados. Utilizando as técnicas por nós desenvolvidas e estudadas nos últimos anos, estudaremos a formação de estruturas espaciais com átomos frios, processos colisionais, aprisionamento de íons, e outros.Item Instituto Nacional de Óptica e Fotônica(2015-12-08) Bagnato, Vanderlei SalvadorNesta proposta, pretendemos implementar o Instituto Nacional de Óptica e Fotônica, com o claro objetivo de expandir o trabalho que já vem sendo executado, incorporando outros parceiros e outras áreas inovadoras no Brasil. A proposta contempla o correto balanço entre pesquisa básica e aplicada, inovação tecnológica e educação/difusão em todos os níveis. Esta proposta baseia-se na experiência adquirida ao longo dos últimos 8 anos, onde recebemos financiamento dentro do programa CEPID/FAPESP. A experiência da equipe envolvida, bem como o histórico de sucesso e seriedade dos envolvidos constitui a melhor garantia desta proposta. São características importantes desta proposta, além do fortalecimento das áreas que temos desenvolvido com sucesso, a implantação da área de plasmônica, importante área com crescimento internacional surpreendente. A proposta aqui apresentada constitui oportunidade única a nível nacional de podermos estabelecer esta área de pesquisa, contando com a participação das maiores autoridades mundiais neste tema. A pesquisa está dividida em três grandes áreas: 1) óptica aplicada à física atômica, onde aspectos modernos de fluidos quânticos estão sendo estudados, espectroscopia molecular está sendo realizada e transparência induzida analisada em um novo aspecto; 2) plasmônica, onde combinamos óptica com nanoestrutura para manipular luz, criando novos efeitos com diversas aplicações; 3) biofotônica, com o desenvolvimento de novas técnicas que combina o conhecimento básico gerado pelas áreas anteriores para inovar no diagnóstico e tratamento de doenças. Cada tema de pesquisa é composto de vários sub-projetos, todos interconectados num programa que deve promover um excelente ambiente científico de alto estímulo e produtividade. Juntamente com pesquisa realizamos um ousado programa de transferência de conhecimento e inovação tecnológica e difusão de Ciência, completando um ciclo que deve contribuir não apenas para a Ciência brasileira, mas também para a sociedade como um todo, já que o programa tem uma grande componente de responsabilidade social. O projeto conjuga várias instituições brasileiras, congrega diferentes especialidades e é ousado no sentido de realmente vislumbrar Ciência relevante e responsabilidade para impulsionar centros emergentes. Temos 10 instituições de pesquisa com cerca de 30 pesquisadores e mais de 120 participantes entre pós-doutores, alunos e outros, todos trabalhando em prol dos mesmos objetivos. Há uma boa contrapartida vinda dos projetos de indústrias, do projeto CEPID-CEPOF em sua fase final e da própria instituição hospedeira. Nosso projeto representa a continuidade de um programa de sucesso com financiamento inicial da FAPESP (programa CEPID) que agora tem condições de expandir para além do estado de São Paulo, modernizando e contribuindo de forma ainda mais marcante para a Ciência e tecnologia nacional.Item Investigation with atomic superfluids(2015-10-13) Bagnato, Vanderlei SalvadorThis is a cooperative research involving MIT and USP to investigate in Brazil different aspects of quantum Turbulence in samples of BEG, while at MIT we shall cooperate in the investigation of magnetism in samples of quantum fluids of bosons and fermions. The study of vortices in quantum fluids started with the studies of superfluid liquid helium. Those studies has geneerted an incredible amount of physics. The study of vortices in condensates has never suffered for lack of interest. Over the years, studies involving new aspects of both the formation and the dynamics of vortices were performed as well as the development of new techniques of vortex nucleation. Recently, vortices were observed in our laboratory by means of a new technique that consists of introducing off-axis oscillations in the condensate. Besides vortices we also produce antivortices. The existence of vortices and antivortices in the same sample and their mutual interaction and annihilation are new topics never studied before experimentally. This system composed by vortices and anti-vortices evolves in an interesting way in relation to the frequency and amplitude of the excitation. Eventually, these excitations lead the system to a regime called quantum turbulence, where there are tangled vortices in each direction of space. The study of quantum turbulent systems also started with liquid helium. The study of quantum turbulence became interesting as a prototype for the understanding of the statistics as well as the dynamics of the nucleation of vortices in these regimes and possibly extension to classical regimes. Unfortunately, helium is not a good system for the observation and quantitative measurement of features due to the experimental difficulties in the control of the parameters as well as the generation of turbulence. In contrast, Bose-Einstein condensates, where the experimental parameters can be precisely tuned and the addition of angular momentum can be done in a controlled way are the perfect samples for this kind of study. Nevertheless, experimentally and theoretically there have been few studies in this regime until now. Recently, a series of theoretical papers demonstrated several aspects related to quantum turbulence in BEGs. In this project we shall develop experiments to investigate the influence of the temperature on the relaxation of the trubulent state. The transference of vorticity from one specie to a second one will be accomplished in a double specie experiment. Stabilization of a high charged vortex will be investigated using a mixture of two superfluids. Theoretical studies involving turbulence and its control will also be part of this program. While in Brazill we shall investigate quantum turbulence, at MIT we will collaborate with their programs of quantum magnetism which has many aspects. (AU)Item CEPOF - Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica(2015-08-19) Bagnato, Vanderlei SalvadorNesta proposta visamos estabelecer um Centro de Ótica e Fotônica, no qual ciência básica e aplicada deverão conviver de forma sinérgica. Será estabelecido uma moderna infraestrutura para estudo de tópicos relevantes em óptica, e assumido de forma adequada a missão de transferência de conhecimento para o setor produtivo e a realização de um vasto programa de difusão de ciência. A proposta incorpora modernos aspectos da óptica, física atômica, materiais e biofotônica. Será estabelecido um programa padrão que aceita modernos desafios científicos e assume responsabilidades sociais Na parte de pesquisa, a proposta contempla 3 frentes: Átomos frios, plasmônica e bíofotônica. Estes campos estão ligados pelo interesse comum de interação de luz com a matéria em diferentes aspectos bem como sua exploração tanto a nível básico, como aplicados. Tópicos como turbulência quântica, redes ópticas, metrologia de tempo e frequência e espalhamentos em amostras de átomos frios constituem o principal foco do primeiro bloco. Em plasmônica, o estabelecimento de uma moderna facilidade de produção de estruturas tornara o país capacitado para o avanço desta área. Estudos teóricos de estruturas especiais serão realizados. Em biofotônica, nossos planos estão focalizados no diagnostico e tratamento de doenças usando técnicas ópticas. Cobriremos desde aspectos básicos da interação de luz com tecidos biológico passando por provas de princípios, até suas aplicações clinicas. Pesquisas laboratoriais e clinicas constituem nosso elenco de atividades. Paralelamente às pesquisas cientificas, resultados e conhecimentos gerados, serão usados como principais ingredientes para um programa de Inovação Tecnológica, que permitira desenvolver novos produtos, criar novas empresas e colaborar com empresas existentes. Um ousado programa de divulgação de ciência usando um canal de TV próprio, operando 24h/dia e um vasto elenco de atividades deverão cobrir todos os níveis educacionais, levando o entusiasmo da ciência desde estudantes na fase pré-escolar, do nível fundamental, médio e universitário até, cidadãos comuns. Proposta é justificada pela modernidade dos tópicos, pelo sinergismo que gera e principalmente pelo histórico de sucesso dos membros participantes. Temos um contexto de inserção internacional com da atração de estudantes, pós-docs e estabelecimento de programas de cooperação. Os recursos deste projeto serão a alavanca para outros muitos que buscaremos durante a execução deste plano.