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Towards 6D coherent scattering cooling of aspherical nanoparticles

Lorenz Hummer

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Physics

Betreuer*in

Markus Arndt

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DOI

10.25365/thesis.74084

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-23617.42009.511271-1

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

In der vorliegenden Arbeit fassen wir die theoretischen Grundlagen der Kühlung optisch levitierter Nanoteilchen in allen Freiheitsgraden sowohl der Translation als auch der Rotation zusammen und gehen dabei in Vorbereitung auf weiterführende Untersuchungen auch auf jene Umwelteinflüsse ein, welche der Dämpfung ihrer Bewegung entgegenwirken bzw. in weiterer Folge zu Dekohärenz führen. Darüber hinaus erklären wir die zu diesem Zweck bereits unternommenen experimentellen Schritte und beschreiben den derzeitigen Aufbau bzw. anvisierte Modifikationen, mit denen wir planen, eine vielseitige und zuverlässige Plattform für die Beobachtung rotationsbezogener Quantenphänomene zu schaffen. Da sich ein Teilchen in einer von einem stark fokussierten Laserstrahl erzeugten optischen Falle in erster Näherung wie ein harmonischer Oszillator verhält, dessen Energieniveaus quantisiert sind, wird die erfolgreiche Kühlung eine Annäherung an einen wohldefinierten quantenmechanischen Zustand, den energetischen Grundzustand, ermöglichen. Dies soll als erster Schritt dienen, um in Zukunft das Phänomen der Interferenz von Materiewellen als eine der zentralen Vorhersagen der Quantenphysik in mesoskopischen Systemen zu demonstrieren und kann zudem Anwendung in hochsensitiven Kraft- und Drehmomentsensoren finden. Hierfür planen wir die Methode der kohärenten Streukühlung anzuwenden, welche sich die optomechanische Interaktion zwischen dem levitierten Teilchen und den beiden Polarisationsmoden eines optischen Resonators zunutze macht. Konkret bewirkt eine geeignete Verstimmung der Wellenlänge des Lasers gegenüber der Resonanzfrequenz des Resonators eine Verstärkung der inelastischen Streuung höherenergetischer Photonen, welche die Bewegungsenergie des mechanischen Oszillators aufnehmen und schlussendlich dissipieren. Als erste Schritte in Hinblick auf unsere Ziele ermitteln wir die Linienbreite unseres Resonators, welche einen für die Kühleffizienz wesentlichen Parameter darstellt, stabilisieren die Frequenz des Lasers mithilfe der Pound-Drever-Hall-Technik in Bezug auf die Resonanz des Resonators, detektieren Teilchen mit einem Durchmesser von 100 Nanometern sowohl mithilfe einer Streufaser im Inneren der Vakuumkammer als auch in Rückstreuung durch symmetrische Detektion, demonstrieren das Laden der Falle in Grobvakuum mittels laser-induzierter akustischer Desorption und messen die spektrale Leistungsdichte der Teilchenbewegung in Vorbereitung auf parametrische Kühlung und den Übergang in den Hochvakuumbereich.

Abstract

(Englisch)

The present thesis seeks to summarize the theoretical fundamentals of cooling optically levitated nanoparticles in all degrees of freedom, comprising both translational and rotational motion. In preparation to further studies, we also treat interactions with the environment, which give rise to heating and ultimately to decoherence. We explain the experimental steps undertaken so far and describe our current setup as well as envisioned modifications, which we are planning to implement in order to create a versatile and reliable platform for the investigation of rotational quantum phenomena. A particle that is optically trapped inside a tightly focused laser beam behaves, to a first approximation, like a harmonic oscillator and hence features quantized energy levels. Successful cooling will thus allow us to approach the ground state of energy as a well-defined quantum state. This serves as a prerequisite towards the demonstration of matter-wave interference, which is one of the central predictions of quantum physics, in mesoscopic systems and also holds promise of finding application in ultrasensitive force and torque sensing techniques. To that end, we are planning to apply the method of coherent scattering cooling, which exploits the optomechanical interaction between the levitated particle and the two polarization modes of an optical resonator. In more concrete terms, a suitable choice of detuning between the wavelength of the laser and the resonance of the cavity causes an enhancement of the inelastic scattering of blue-shifted photons, which carry away mechanical energy of the particle. As first steps towards our goals, we determine the linewidth of our resonator, which constitutes one of the central parameters governing the cooling efficiency, stabilize the laser frequency with respect to the cavity resonance, detect particles with a diameter of 100 nanometers using both a scattering fiber inside the vacuum chamber and balanced detectors in backscattering, demonstrate loading of the trap in low vacuum using laser-induced acoustic desorption and measure the power spectral density of the particle motion in preparation to parametric feedback cooling and the transition to high vacuum.

Autor*innen

Lorenz Hummer

Haupttitel (Englisch)

Towards 6D coherent scattering cooling of aspherical nanoparticles

Paralleltitel (Deutsch)

In Richtung 6D kohärenter Streukühlung asphärischer Nanoteilchen

Publikationsjahr

2023

Umfangsangabe

76 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Markus Arndt

Klassifikationen

33 Physik > 33.23 Quantenphysik ,

33 Physik > 33.38 Quantenoptik. nichtlineare Optik

AC Nummer

AC16923878

Utheses ID

67472

Studienkennzahl

UA | 066 | 876 | |

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