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Towards optical levitation of nanoparticles below 10^-9mbar
Stefan Lindner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Nikolai Kiesel
Mitbetreuer*in
Mario Ciampini
DOI
10.25365/thesis.70190
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11177.00422.340346-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Levitierte Nanopartikel haben sich als neue Plattform für das Testen der Quantenphysik
auf makroskopischer Größenordnung etabliert. In dieser Masterarbeit werden die ersten
Schritte in Richtung eines neues Levitationsexperiments gesetzt, das die Kohärenzzeit
von levitierten Nanoteilchen erhöht. Dies wird bewerkstelligt durch die Verringerung von
Dekohärenz durch Kollisionen mit Gasmolekülen und der Verwendung einer optischen
Stehwelle zur Minimierung von Dekohärenz durch Streuung von Photonen. Wie kurz
beschrieben wird, ist das Design des Experiments motiviert durch ein geplantes Setup zur
Kontrolle von Materiewellen mit Nanoteilchen. Um dies zu umzusetzen, ist geplant die
kürzlichen Erfolge im Bereich der Heisenberg-limitierten Detektion auf optische Stehwellen
zu erweitern.
Um die Levitation von Nanoteilchen bei für derartige Experimente genügend hohem
Vakuum zu ermöglichen, besteht der Fokus dieser Arbeit auf die Erweiterung des zuvor
gezeigten Teilchen-Ladens durch Hohlfasern auf Drücke unter 10^-9 mbar. Dies kommt
mit zwei neuen Herausforderungen: Auf der einen Seite kann die zuvor verwendete Methode
zur Ausrichtung der Hohlfaser, die ein schon geladenes Teilchen in der Falle benötigt, nicht verwendet werden und andererseits kann Teilchen-Laden in extremes Ultrahochvakuum
(XUHV) sich nicht auf Luftwiderstand vom umgebenden Gas verlassen. Um diese Probleme zu adressieren, implementieren wir eine neue mobile Hohlfaser-Falle und haben die Übergabe von einem Teilchen in eine optische Falle, die aktiviert wird wenn das Teilchen sich in ihrem Zentrum befindet, in moderaten Vakuumbedingungen gezeigt. Diese Lösungen sind direkt in eine Ultrahochvakuum-Kammer eingebaut und es wird erwartet, dass optische Manipulation von Nanoteilchen in näherer Zukunft bei XUHV-Bedingungen möglich wird.
Abstract
(Englisch)
Levitated nanoparticles have been established as a promising platform for testing quantum physics on macroscopic scales. In this thesis, initial steps towards a new optical levitation
Levitated nanoparticles have been established as a promising platform for testing quantum physics on macroscopic scales. In this thesis, initial steps towards a new optical levitation setup were implemented, that will radically improve coherence times of levitated nanoparticles by enabling experiments in extreme ultra-high vacuum to reduce decoherence by gas collisions, and in a standing wave optical trap to minimize decoherence by photon scattering. As briefly outlined here, the experimental design is motivated by an envisioned experiment for matter-wave control with nanoparticles and aims to employ recent achievements in Heiseberg-limited position detection to a standing wave configuration.
To enable the levitation of nanoparticles at sufficiently high vacuum for such experiments, a major focus here is on the extension of the previously demonstrated particle loading through hollow core photonic crystal fibers to below 10^-9mbar. This poses two new challenges: On the one hand, previous alignment methods with a preloaded particle cannot be applied, on the other hand particle loading in XUHV cannot rely on friction from the surrounding gas. To address these issues, we have implemented a mobile hollow core fiber based optical trap and demonstrated particle loading at low vacuum using an optical trap that captures the particle when it is near the potential minimum. These solutions already integrated into the ultra-high vacuum chamber of the envisioned experiment and are expected to enable optical manipulation of nanoparticles in XUHV in the near future.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
nanoparticle levitation decoherence standing wave ultra high vacuum hollow core fiber particle loading mechanism sagnac interferometer
Schlagwörter
(Deutsch)
Nanopartikel Levitation Dekohärenz Stehwelle Ultra-Hoch-Vakuum Hohlfaser Teilchen-Lade-Mechanismus Sagnac Interferometer
Autor*innen
Stefan Lindner
Haupttitel (Englisch)
Towards optical levitation of nanoparticles below 10^-9mbar
Paralleltitel (Deutsch)
Richtung optischer levitation von Nanoteilchen unter 10^-9mbar
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
XI, 95 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Nikolai Kiesel
AC Nummer
AC16464317
Utheses ID
60111
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |