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Cavity cooling by coherent scattering of a levitated nanosphere in vacuum
Uros Delic
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 Aspelmeyer
Mitbetreuer*in
Nikolai Kiesel
DOI
10.25365/thesis.57151
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17293.62451.739852-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Bewegung eines optisch levitierten, dielektrischen Nanoteilchens
im Ultrahochvakuum ist gut von der Umgebung isoliert. Aus diesem
Grund ist es ein vielversprechendes System um Quantenverhalten
bei Raumtemperatur nachzuweisen. Ein Weg um dies zu erreichenist
die Bewegung des Nanoteilchens an ein optisches Resonator zu koppeln
(levitated cavity optomechanics). In dieser Arbeit werden zwei
sehr unterschiedliche Methoden des Resonatorkühlens betrachtet die
einerseits notwendig sind um den Bewegungsgrundzustand eines
levitierten Nanoteilchens zu demonstrieren und andererseits den ersten
Schritten zur totalen Quantenkontrolle bei Raumtemperatur darstellen.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird unser experimenteller Aufbau
für Optomechanik mit levitierten Nanoteilchen vorgestellt. Das Nanoteilchen
ist in einer optischen Pinzette gefangen und in dem optischen
Resonator positioniert, wobei die Oszillationsfrequenzen in
der Pinzette weit von allen Resonanzen des optischen Resonators entfernt
sind. Der Resonator wird extern mit einem rotverstimmtem
Laser gepumpt, der die Bewegung des Nanoteilchens entlang der Resonatorachse
steuert (z.B. kühlen). Um die Nanoteilchenbewegung im
Vakuum vollständig zu stabilisieren werden die nicht axialen Richtungen
mit parametrischer Rückkühlung gekühlt. Wir charakterisieren
die optomechanischen Kopplungsraten sowie die mechanischen und
optischen Verlustraten um die optomechanische Kooperativität zu
bestimmen. Wir demonstrieren erstmals stabiles Resonatorkühlen im
Hochvakuum (p~10e-6 mbar).
Der zweite Teil beschäftigt sich mit einem deutlich verbessertem
Kühlschema, das auf einer resonatorverstärkten, kohärenten Streuung
der optischen Pinzette basiert, d.h. der zunächst leere optische
Resonator wird nur durch das von dem Nanoteilchen gestreuten
Licht gepumpt. Folglich wird mit einer Pinzette, die bezüglich der
Resonanz des optischen Resonators rotverstimmt ist, die Bewegung
in alle Richtungen stark gekühlt. Wir zeigen echtes, dreidimensionales
Resonatorkühlen, das stabiles levitieren im Hochvakuum ohne
aktive Rückkühlung ermöglicht. Im Gegensatz zum dispersiven Regime
der konventionellen Cavityoptomechanik ist die Kopplung der
axialen Bewegung am Wellenknoten (Intensitätsminimum der Stehwelle)
am größten, was zu einer starken Unterdrückung des Heizens
durch Phasenrauschen führt (> 40 dB) für unsere Parameter). Unsere
beobachtete Leistungsfähigkeit impliziert, dass Resonatorkühlen
durch kohärente Streuung die Kühlung von levitierten Nanoteilchen
in den Grundzustand bei Hintergrunddrücken von unter 10e-7 mbar
und ohne zusätzliche Laserrauschfilterung ermöglichen sollte.
Abstract
(Englisch)
The motion of an optically levitated dielectric nanosphere is well isolated
from the environment in ultra-high vacuum. For that reason,
it is a promising system to demonstrate quantum behavior at room
temperature. One route to achieve this is to couple the nanosphere
motion to an optical cavity field, i.e. levitated cavity optomechanics.
This thesis considers two very different cavity cooling schemes on the
path to demonstrate motional ground state cooling of a levitated nanosphere,
which is a first step towards full quantum control at room
temperature.
In the first part of this thesis we present our experimental setup for
levitated cavity optomechanics. The nanosphere is trapped in an optical
tweezer and positioned inside the optical cavity, with the tweezer
frequency far away from all cavity resonances. The cavity is driven
externally with a red-detuned laser, which controls (e.g. cools) the nanosphere
motion along the cavity axis. In order to fully stabilize the
nanosphere motion in vacuum, the non-axial directions are cooled
with parametric feedback cooling. We characterize the optomechanical
coupling rates as well as mechanical and optical loss rates in order
to determine the optomechanical cooperativity. We demonstrate for
the first time stable cavity cooling in high vacuum (p ~10e-6 mbar).
The second part introduces a significantly improved cooling scheme
based on cavity-enhanced coherent scattering off the optical tweezer,
i.e. the initially empty optical cavity is driven only by the light scattered
off the nanosphere. Subsequently, for a tweezer red-detuned
with respect to a cavity resonance the motion along all directions is
strongly cooled. We demonstrate genuine three-dimensional cavity
cooling, which also allows for stable levitation in high vacuum without
active feedback control. In contrast to the dispersive regime in
conventional cavity optomechanics, coupling of the axial motion is
largest at the cavity node (intensity minimum of the cavity standing
wave), which results in a strong suppression of the phase noise
heating (> 40 dB for our parameters). Our observed performance implies
that cavity cooling by coherent scattering should enable quantum
ground state cooling of levitated nanoparticles for background
pressures below 10e-7 mbar and without additional laser noise filtering.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
levitation cavity optomechanics cavity cooling coherent scattering high vacuum
Schlagwörter
(Deutsch)
Levitation Cavityoptomechanik Cavitykühlung kohärente Streuung Hochvakuum
Autor*innen
Uros Delic
Haupttitel (Englisch)
Cavity cooling by coherent scattering of a levitated nanosphere in vacuum
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
xii, 166 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Monika Schleier-Smith ,
Helmut Ritsch
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC15537890
Utheses ID
50464
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |