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Cooling and manipulating the ro-translational motion of dielectric particles in high vacuum
Stefan Kuhn
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Betreuer*in
Markus Arndt
DOI
10.25365/thesis.50682
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17121.45762.406564-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Zukünftige Materiewelleninterferometer sollen das Quantensuperpositionsprinzip für Objekte mit mehr als 10^6 atomaren Masseneinheiten testen. Um kohärente Quellen dafür zu entwickeln sind neue Techniken notwendig. In dieser Arbeit untersuche ich Methoden um solche Experimente mit dielektrischen Nanoteilchen zu realisieren, in dem man die Teilchen in optischen Dipol-Potentialen und Resonatorfeldern manipuliert, kontrolliert und kühlt.
Ich schätze die experimentellen Voraussetzungen für zukünftige Interferometrieexperimente im Massenbereich von 10^6 - 10^7 atomaren Masseneinheiten ab und präsentiere ein Schema um die Interferenz von Teilchen mit 10^7 atomaren Masseineinheiten aufzulösen. Für diese Anwendung stelle ich Methoden vor, die es uns ermöglichen Nanoteilchen verschiedener Größe und Form unter Hochvakuumbedingungen in die Gas-Phase zu bekommen und in intensiven Lichtfeldern optischer Resonatoren zu detektieren und zu manipulieren. Basierend auf dem experimentellen Fortschritt diskutiere ich die Aussichten um Nanoteilchen in optischen Resonatoren mit hoher Güte zu kühlen, um eine kohärente Quelle für Materiewellenexperimente zu realisieren. Dies beinhaltet das Kühlen der Massenmittelpunktsbewegung von Teilchen mit 10^6 - 10^7 atomaren Masseneinheiten in speziell angefertigten Mikroresonatoren, deren kleines Modenvolumen die Wechselwirkung mit den Teilchen verstärkt. Ich präsentiere den Einsatz von Mikrospiegel auf Silizium-Chips um Resonatoren mit Strahldurchmessern von 24 µm bzw. Modenvolumen von 15 pL zu formen, die es uns erlauben Glas-Nanoteilchen mit 150 nm Radius durch ihre starke Kopplung an das Resonatorfeld mit hohem Signal zu Rausch Verhältnis zu detektieren.
Unsere Nanoteilchenquelle erlaubt es uns auch, erstmals die Rotationsbewegung von elongierten Nanoteilchen zu untersuchen. Wir können die freie Rotation von Siliziumstäbchen durch Streuung von starken Lichtfeldern detektieren und Rotationsraten von bis zu 50 MHz auflösen. Mit Hilfe von Restgas können wir diese Teilchen in einer optischen Stehwelle, die aus zwei gegenläufigen Laserstrahlen geformt wird, stabil für mehr als 100 Tage levitieren. Dabei wird die formbedingte Orientierungsabhängigkeit der Polarisierbarkeit der Teilchen ausgenützt, um die Rotationsfreiheitsgrade der Stäbchen in der Falle zu kontrollieren. Durch Modulation der Polarisation zwischen linear und zirkular können wir die Drehbewegung eines Stäbchens so antreiben, dass sie einer externen Uhr mit hoher Präzision folgt. Mögliche Anwendungen für dieses System sind unter anderem präzise, lokale Messungen von Druck, Gasströmen und Lichtfeldern oder Studien zur Einzelteilchen Thermodynamik. Um zukünftige Quantenexperimente in den Rotationsfreiheitsgraden zu realisieren und orientierungsabhängige Materiewelleninterferometrie zu ermöglichen, diskutiere ich, wie wir die Rotationsbewegung der Siliziumstäbchen in einem optischen Resonator kühlen können. Dabei stellt sich heraus, dass unter realistischen experimentellen Bedingungen das Erreichen des Grundzustandes der Bewegung von dielektrischen Stäbchen und Scheiben möglich ist.
Abstract
(Englisch)
Future matter-wave interferometers, which are targeted at probing the quantum superposition principle with objects of increasing mass and complexity, will require coherent sources of slow and cold particles. In this work I study the possibilities for realizing these experiments with dielectric nanoparticles, by controlling, manipulating, and cooling them in optical dipole potentials and high-finesse optical cavities.
I investigate the requirements for matter-wave interferometry and propose a scheme to resolve interference effects with silicon nanoparticles of up to 10^7 atomic mass units. With this application in mind, I present laser-based launch methods for particles of various sizes and shapes in ultra-high vacuum and the detection and manipulation of nanoparticles in intense cavity fields. Based on this experimental progress, I discuss the prospects of cooling dielectric nanoparticles to realise a coherent source for matterwave interferometry in dedicated microcavities, whose low mode-volume will enhance the light-matter interaction. I present the implementation of silicon micromirror chips to form open-access cavities with beam waist radii of 12 µm and cavity mode-volumes of 15 pL, allowing for high signal-to-noise detection of 150 nm radius nanoparticles via their strong coupling to the field of a single cavity. In the future, microcavities with better controlled mirror shapes and higher finesse will be capable of cooling particles with masses down to a few 10^6 amu.
The laser-induced launch method also enables novel studies with non-spherical nanoparticles. The free rotation of silicon nanorods can be detected via their scattering in intense optical fields, resolving rotation rates of up to 50 MHz. At millibar gas pressures these particles can be stably levitated for more than 100 days in the standing light wave formed by two focussed counter-propagating laser beams. The nanorods exhibit an orientation dependent polarizability which can be exploited in order to control their rotational motion. When the polarisation of the trapping beams is periodically modulated between linear and circular, the particles can be driven and their rotation locks to an external clock with surprisingly high stability. This experiment paves the way for very precise, local sensing applications and single-particle thermodynamics studies. To enable new quantum experiments in the orientational degrees of freedom and facilitate orientation dependent high-mass matter-wave interferometry, I discuss the prospects of employing a cavity to cool both the rotational and translational motion of non-spherical nanoparticles. Under realistic experimental conditions, cooling to the ro-translational quantum ground-state of a rod or disk is within reach.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Nanoparticles cavity cooling matter-wave interferometry rotational optomechanics
Schlagwörter
(Deutsch)
Nanoteilchen Resonatorkühlen Materiewelleninterferometrie Rotationsoptomechanik
Autor*innen
Stefan Kuhn
Haupttitel (Englisch)
Cooling and manipulating the ro-translational motion of dielectric particles in high vacuum
Paralleltitel (Deutsch)
Kühlung und Manipulation der Ro-Translationsbewegung von dielektrischen Teilchen im Hochvakuum
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
119 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Peter Barker ,
Romain Quidant
Klassifikationen
33 Physik > 33.18 Optik ,
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC15152930
Utheses ID
44796
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |