Alkali-metal atoms are the foremost candidates for studies of degenerate quantum gases employing sub-Doppler cooling techniques operating either on the D1 or D2 transition. However, the case of ³⁹K atoms has a narrow excited-state structure of the D2 transition compromising difficulty to achieve below the Doppler limit temperature (T_D = hΓ/2k_B = 140μK) by employing conventional cooling techniques such as optical molasses or polarization gradient cooling on this transition. In this work, a sub-Doppler cooling known as Gray molasses operating on the ¦4²S_½} → ¦4²P_½} 770nm transition D1 is applied to cool a cloud of ³⁹K atoms to sub-Doppler temperatures, which is an important step to reach the quantum degeneracy of the quantum gases. With this approach we reach temperatures below the Doppler limit around 14.3μK by the formation of dark states using the cooling and repumping lasers detuned to the blue side at the Raman resonance (two-photon) in Λ configuration. Then, we ramp down the intensities of each laser beam, in order to cool the atoms to an ultra-low temperature of 8.62μK, getting closer to the photon recoil limit of (T_r = h²k²_L/2mk_B = 0.4μK). In our results, we present a study of the behaviour of the temperature and the number of atoms by the influence of the relative detuning, and also a particular analysis of the temperature by the influence of the global detuning. In the following, we present the lowest temperature as a function of the final intensities D1 molasses. Finally, we compare the performance of our Gray molasses cloud with other works by using a phase space density analysis.

Átomos alcalinos são fortes candidatos para experimentos para estudos em gases quânticos degenerados, uma vez que empreguemos técnicas de resfriamento sub-Doppler, tanto operando na transição D1 ou D2. Entretanto, átomos de ³⁹K tem uma estrutura de estado excitado estreita, o que compremete alcançar temperaturas abaixo do limite Doppler, usando a transição D2 (T_D = hΓ/2k_B = 140μK), empregando técnicas convencionais de resfriamento, como molasses óptico ou resfriamento por gradiente de polarização. No presente trabalho, um tipo de resfriamento sub-Doppler conhecido como Gray molasses, o qual opera na transição D1 ¦4²S_½} → ¦4²P_½} 770nm, é aplicada para resfriar uma nuvem de átomos de ³⁹K a temperaturas sub-Doppler. Este é um importante passo para alcançar a degenerescência quântica e, em nosso caso, obtivemos temperaturas abaixo do limite Doppler em torno de 14.3μK. Isso é possível pela formação de estados escuros usando lasers de resfriamento e de rebombeio, dessintonizados para o azul da ressonância Raman (dois fótons) em configuração λ. Em seguida, fizemos uma diminuição controlada, em uma rampa, das intensidades de cada feixe laser. Dessa forma, resfriamos os átomos a uma temperatura muito baixa como 8.65μK, a qual está próxima à temperatura limite de recuo (T_r = h²k²_L/2mk_B = 0.4μK). Em nossos resultados, apresentamos um estudo do comportamento da temperatura e número de átomos pela influência da dissintonia relativa de frequências, e também uma análise particular da temperatura pela influência da dessintonia global. Em seguida, apresentamos a temperatura mais baixa como função das intensidades finais de molasses. Finalmente, comparamos a performance de nossa Gray Molasses com outros trabalhos usando uma análise por densidade no espaço de fase.