A área de física atômica e molecular busca estudar átomos, moléculas, e íons, seja por espectroscopia a laser ou microondas, ou por colisões com elétrons, íons ou outros átomos e moléculas. Esses estudos tem consequências na busca da compreensão de diversos fenômenos na natureza, em testes da teoria básica da física, e em tecnologia. Envolvem desde questões fundamentais – como foi formado o Universo, quais os processos físico-químicos para o início da vida na Terra, está correta a teoria atual da Física – a questões pragmáticas atuais ligadas ao aquecimento global, à construção de dispositivos e aplicações em medicina, astrofísica, lasers, metrologia, florescência e plasmas. O IF-UFRJ conta com vasta gama de pesquisas na área, envolvendo desde anti-átomos para testes fundamentais da Física, átomos-gêmeos para estudo em Informação Quântica, feixes eletrônicos para estudo de rearranjos eletrônicos ultra-rápidos em fragmentação molecular, a feixes de íons acelerados a 1,7 MeV para estudos de colisões e implantações de íons,  e ao desenvolvimento de armadilha de íons, elétrons e átomos. Os grupos mantém colaborações externas no CERN-Genebra, LNLS-Campinas e CAB-Bariloche, dentre outros.

Laboratórios envolvidos:

• Laboratório de Armadilha de Íons, Estamos instalando uma armadilha para partículas carregadas. Esse sistema (armadilha de Penning) é capaz de armazenar num ambiente de vácuo as mais diversas espécies de partículas carregadas, positivas ou negativas: íons atômicos e moleculares e partículas/antipartículas elementares.

• Laboratório de Colisões Atômicas e Moleculares (LaCAM), O LaCAM conta, entre outros equipamentos, com um acelerador eletrostático Pelletron de 1,7 MV. O acelerador Pelletron acelera íons atômicos, moleculares e de agregados até velocidades da ordem de centésimos da velocidade da luz. Estes íons em alta velocidade são a base de experimentos de colisões com alvos sólidos e gasosos.

• Laboratório de Colisões com Feixes de Elétrons, No Laboratório de colisões com feixes de elétrons estudam-se os processos de rearranjos eletrônicos ultra-rápidos que precedem a fragmentação de moléculas induzida por impacto de elétrons e para os quais existem vários elétrons ativos participando do processo.

• Laboratório de Super-Espectroscopia do Rio (LASER), No LASER estudamos átomos, moléculas e anti-átomos por espectroscopia a laser de alta resolução. Desenvolvemos a técnica chamada de Sublimação de Matriz de Isolamento (MISu) onde átomos e moléculas são sublimados de uma matriz de gás inerte (Ne e H2) formando feixes criogênicos apropriados para espectroscopia de alta resolução e aprisionamento magnético.

No Instituto de Física da UFRJ, existem vários grupos de pesquisa que atuam na sub-área de Ótica e Informação Quântica. Os temas de pesquisa desses grupos formam um leque bastante amplo, abrangendo questões ligadas à natureza da luz e sua propagação, bem como ao estudo dos fundamentos da Mecânica Quântica.

As linhas de pesquisa em Ótica Quântica e Flutuações Quânticas estudam, de maneira geral, a interação entre radiação e matéria em situações onde as características quânticas, tanto da matéria quanto da radiação, são essenciais. As linhas de pesquisa em Informação Quântica investigam, teorica e experimentalmente, métodos para caracterizar, transmitir, armazenar, compactar e utilizar computacionalmente a informação contida em estados quânticos.

Do lado da Ótica Clássica, são realizadas pesquisas em Pinças Óticas, que são sistemas que aprisionam micro-partículas usando apenas um feixe de luz laser fortemente focalizado.  Com esses dispositivos é possível, por exemplo, medir forças muito pequenas, menores que 1pN ou um trilionésimo da força que o planeta Terra exerce sobre uma maçã, que possui cerca de 100g.

O grupo de Ótica Quântica e Informação Quântica realiza pesquisa teórica e experimental com ênfase nos seguintes temas, em particular: medida quântica e não-localidade quântica, dinâmica do emaranhamento em sistemas abertos, detecção e caracterização de emaranhamento em sistemas de variáveis contínuas, implementação de algoritmos de computação quântica, realização de simulações quânticas, computação quântica em sistemas de estado sólido, metrologia quântica, controle quântico, limites quânticos à rapidez de processos físicos e suas aplicações e estudo do limite clássico de sistemas quânticos que são classicamente caóticos. Esses conceitos são estudados em vários sistemas físicos, tais como fótons de feixes gêmeos, eletrodinâmica quântica em cavidades e armadilhas de átomos e íons.

Laboratório envolvido: Laboratório de Ótica Quântica

Pesquisadores Envolvidos: Nicim Zagury, Luiz Davidovich, Ruynet Matos Filho, Fabricio Toscano, Marcelo Paleólogo França Santos, Malena Hor-Meyll, Fernando Nicacio

O grupo de Flutuações Quânticas estuda efeitos que decorrem das flutuações quânticas de carga e de radiação eletromagnética, com ênfase no estudo da emissão espontânea e das interações de van der Waals e Casimir entre objetos micro ou macroscópicos. Em particular, se estuda o comportamento quantitativo detalhado das forças de Casimir e de van der Waals em situações envolvendo geometrias não-triviais, que possuem tanto interesse conceitual como aplicações em nanotecnologia. O grupo também estuda a influência de novos materiais, como o grafeno, na emissão espontânea e a possibilidades de controle ativo da mesma, mediante a aplicação de campos magnéticos.

Laboratório envolvido: Laboratório de Pinças Óticas

Pesquisadores Envolvidos: Carlos Farina, Felipe Pinheiro, François Impens, Paulo A. Maia Neto

O grupo de Pinças Óticas desenvolve métodos experimentais e teóricos para a calibração da força ótica, tendo como objetivo a medida de forças muito pequenas. Como isso, a caracterização mecânica de objetos de interesse biológico, por exemplo, se torna possível. O grupo estuda as propriedades mecânicas da membrana e do citoesqueleto de células do sistema nervoso e de células tronco, avaliando como as mesmas são alteradas de acordo com a função desempenhada pela célula. Também são estudados efeitos da adesão celular a diferentes substratos. Além de aplicações em biologia celular, o grupo utiliza as pinças óticas para medidas da força de Casimir nas geometrias supra-citadas.

Laboratório envolvido: Laboratório de Pinças Óticas

Pesquisadores Envolvidos: H. Moysés Nussenzveig, Nathan Bessa Viana, Paulo A. Maia Neto