Desenvolvimentos de referências primárias em tempo e frequência são completamente necessários hoje em dia pelas vantagens de suas aplicações em pesquisas fundamentais, metrologia científica e industrial, telecomunicações, defesa, entre outras. O objetivo deste trabalho é apresentar um chafariz de átomos frios em desenvolvimento nos laboratórios da USP de São Carlos para atuar como referência primária de tempo e frequência, além das diferentes otimizações que fazem dele um sistema de alto desempenho. Primeiramente foi realizada uma mudança da mesa óptica para obter boa estabilidade no sistema óptico, além de uma alteração dos obturadores mecânicos, encarregados de interromper os feixes na sequência da operação do chafariz. O tempo de carga e o número de átomos foram melhorados neste estágio, permitindo reduzir o tempo de ciclo do sistema de t_c = 5, 2 s para t_c = 2 s. O conjunto de bobinas de compensação de campos espúrios externos junto ao sistema de blindagem magnética foi caracterizado, além do Campo C-Field que foi otimizado para diminuir em mais de sete vezes a variação na região de interrogação. Depois de todas as alterações, foi possível obter sinais de tempo de voo com uma relação Sinal/Ruído = 53 dB. A franja de Ramsey central tem melhor qualidade, relação sinal/ruído ≈ 200 sem médias nas medidas. Franjas laterais (m_F = ±1) também foram observadas com contraste pela primeira vez neste experimento. Um cálculo da Probabilidade de Ramsey foi feito, introduzindo a distribuição de velocidades da nuvem atômica para caracterizar a franja de Ramsey e com ele estimar parâmetros como: a Temperatura da nuvem T = 6, 3 μK, a largura do pico central Δν_Ramsey = 1, 69 MHz, assim como os tempos de interação τ = 0, 0239 s e o tempo de evolução T = 0, 2958 s. Além disso, a estabilidade fracional do relógio foi estimada para τ = 1 s, a qual teve um valor de σ_y (1s) = 1, 25 × 10¹³, o que é um grande ressultado desta tese. Por último, foi feita uma estimativa do deslocamento de frequência devido ao efeito de radiação de corpo negro, resultando em Δν/ν = 26,285 × 10¹⁵ com uma incerteza de 5,927 × 10¹⁷

Nowadays, new developments of primary references in time and frequency are of particular interest because of their potential impact in fundamental research, scientific and industrial metrology, telecommunications, and defense, among others. The aim of this work is to present the development and the implementation of different optimizations made on the fountain of cold atoms located in the laboratories of the University of São Paulo in São Carlos in order to position it as a primary reference of time and frequency. Several steps were taken in order to improve the functionality of the system: firstly, a change in the isolation design of the optical table was made to optimize the stability to the optical system. Secondly, a change was implemented in the mechanical shutters, which are in charge of interrupting the beams following the operation of the fountain. The charge time and the number of atoms were improved at this stage, allowing for reduction of the cycle time of the system from t_c = 5.2 s to t_c = 2 s. Moreover, the set of external spurious field compensation coils together with the magnetic shielding system was characterized. In addition to the C Field, the variation in the interrogation region was reduced by more than seven times. After all the changes, it was possible to obtain flight time signals with a Signal-to- Noise-Ratio of 53 dB. The best Ramsey central fringe was obtained at a SNR ∼ 200, without averaging of the measurements. Side fringes (m_F = ±1) were also observed with contrast for the first time in this experiment. In order to characterize the Ramsey fringe, a Ramsey probability calculation was made taking into account the atomic cloud velocity distribution, estimating parameters such as: Cloud temperature T = 6.3 μK, its initial sizeσ = 1 mm, Width of the central peak Δν_Ramsey = 1, 69 MHz, as well as the interaction time τ = 0.0239 s and the evolution time T = 0.2958 s. In addition, The fractional stability calculed for τ = 1 s was of σ_y(1s) = 1.25×10¹³ a good result for this woirk, Finally, an estimate of the frequency offset was made due to the blackbody radiation effect, resulting in Δν/ν = 26, 285×10¹⁵ with an uncertainty of 5.927×10¹⁷.