Rotational dynamics of molecules in external fields

Resumen

En esta tesis se realiza un estudio teórico del espectro y dinámica rotacional de diferentes sistemas formados por moléculas lineales polares en presencia de campos eléctricos que son creados por fuentes externas o por el core y el electrón de un Átomo Rydberg. En la primera parte se investiga el impacto de un campo eléctrico externo en una molécula aislada. Se comienza considerando un campo que rota en un plano manteniendo su intensidad constante para simular los campos utilizados para guiar moléculas en los experimentos del régimen ultra frío. Después, en el marco de la aproximación del rotor rígido, se analiza la dinámica rotacional para tiempos de giro mas rápidos o mas lentos que el periodo rotacional de la molécula. Esto permite identificar configuraciones experimentales y escalas de tiempo que aseguran una dinámica adiabática. A continuación, se explora una molécula lineal polar en un campo láser no resonante linealmente polarizado de dos colores y de onda continua. Se elige la frecuencia no resonante de láser de forma que no genere transiciones electrónicas, vibracionales o rotacionales, y que no cumpla las condiciones de la aproximación de promedio temporal, cuyos límites de validez se estudia en este capítulo. La descripción de este sistema molecular se mejora al incluir progresivamente las interacciones del campo externo con el momento dipolar, la polarizabilidad y la hiperpolarizabilidad, y se demuestra que estas dos ´ultimas no pueden despreciarse. Un exhaustivo análisis de las simetrías permite derivar una serie de identidades que satisfacen los valores esperados que caracterizan la dinámica molecular, para los que se obtienen expresiones analíticas en términos de los parámetros del láser. Además se muestra que la orientación de la molécula no puede llevarse a cabo con un campo láser no resonante linealmente polarizado de una sola frecuencia y onda continua, siendo necesario un campo láser de dos colores con una relación específica entre sus frecuencias. En la segunda parte de esta tesis, se consideran dos moléculas lineales polares e idénticas en presencia de un campo eléctrico dependiente del tiempo, y cuyos momentos dipolares eléctricos están acoplados por la interacción dipolo-dipolo. Un estudio completo de las simetrías permite simplificar la descripción teórica de este sistema, y derivar relaciones que satisfacen las magnitudes que lo caracterizan. Se consideran distancias inter-moleculares pequeñas, que no son realistas experimentalmente, pero permiten analizar el efecto de las interacciones dipolar y con el campo eléctrico, cuando las intensidades de ambas son comparables. Para diferentes configuraciones espaciales de las moléculas, se analiza el espectro, la dinámica y el entrelazamiento cuántico entre as dos, y se encuentran regiones de orientación pronunciada con un entrelazamiento moderado. Finalmente, se investiga el sistema híbrido formado por una molécula diatomica polar y un átomo Rydberg, que a ciertas distancias, cuando la molecula está situada dentro de la ´orbita del electrón Rydberg, forma una molécula Rydberg triatómica. En esta tesis, se analiza la estructura electrónica y las principales propiedades de una molécula Rydberg formada por un átomo de cesio y la molécula RbCs. Se lleva a cabo una descripción dentro de la aproximación de Born-Oppenheimer, considerando el átomo de Rydberg como un sistema de un único electrón, y la molécula diatómica como rotor rígido en su estado fundamental electrónico y vibracional. Nuestro análisis incluye la interacción carga-dipolo y la dispersión a baja energía del electrón con el RbCs. En el laboratorio, estos sistemas se pueden crear utilizando pinzas ópticas para atrapar el átomo y la molécula. Aquí, consideramos dos excitaciones del átomo Rydberg que permitirían situar el Cs y RCs en la misma pinza óptica, o en dos vecinas. Para estas configuraciones, se explora el espectro electrónico, el efecto de los cruces evitados en el mismo, y las condiciones experimentales para que las transiciones de dichos cruces sean adiabáticas. En las regiones próximas a los cruces evitados, se usa una descripción no adiabática, que mejora la aproximación de Born-Oppenheimer, para obtener el espectro vibracional. Ademas, se identifican los estados vibracionales con mayor factor de Franck-Condon, que facilitarían la creación de estas mol´eculas en el laboratorio por fotoasociación, así como las parejas de estados Rydberg que, combinadas con un dímero alcalino que incluya el Cs, permitirían el procesamiento de información cuántica así como la lectura no destructiva de los estados moleculares.