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From the weak to ultrastrong
coupling regimes in levitated cavity optomechanics
Kahan Mcaffer Dare
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Markus Aspelmeyer
DOI
10.25365/thesis.77374
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-23161.86376.261643-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Levitierte Oszillatoren bieten aufgrund ihres Potenzials für hohe Qualitätsfaktoren und ihrer makroskopischen Größe eine einzigartige Gelegenheit für die Quantensensorik. Die Herstellung eines reinen Quantenbewegungszustands wurde jedoch durch technische Herausforderungen bei aktiven Kühlsystemen und Laserrauschen bei passiven Hohlraumsystemen behindert. In jüngster Zeit hat das Gebiet der Optomechanik mit schwebenden Hohlräumen durch die Adaption der kohärenten Streuung aus der Atomphysik eine Renaissance erlebt. Diese Abkehr vom traditionellen Paradigma der dispersiven Kopplung verspricht, die technologischen Barrieren zu umgehen und eine Kühlung im Grundzustand zu ermöglichen. Außerdem dürften die erzielbaren Kopplungsraten um eine Größenordnung höher sein als im dispersiven Fall. In einem ersten Experiment wird ein schwebendes dielektrisches Nanopartikel über kohärente Streuung schwach an den optischen Hohlraum gekoppelt und auf den Grundzustand seiner Bewegung abgekühlt. Dies ist die erste Demonstration eines solchen makroskopischen Festkörpers, der ohne den Einsatz von Kryotechnik auf seinen Grundzustand abgekühlt wird. In einem zweiten Experiment wird die Kopplung bis zur starken Kopplung erhöht, wodurch die Moden des optischen Resonators und des mechanischen Oszillators hybridisiert werden. Die daraus resultierende Normalmodenaufspaltung wird beobachtet und zur Charakterisierung der Kopplungsrate verwendet. In einem dritten Experiment wird die Kopplung weiter erhöht, so dass sich das System tief im Bereich der ultrastarken Kopplung befindet, wo das System dynamisch instabil ist und einen vermiedenen Übergang aufweist. Dies ist die erste optomechanische Festkörpervorrichtung, die im Bereich der ultrastarken Kopplung arbeitet. Diese drei Ergebnisse bilden die Grundlage für die vollständige Quantenkontrolle von massiven mechanischen Oszillatoren.
Abstract
(Englisch)
Levitated oscillators provide a unique opportunity for quantum sensing due to their potential for high quality factors and macroscopic size. However, preparation of a pure quantum state of motion has been obstructed by technical challenges with active cooling schemes and laser noise with passive cavity schemes. Recently, the field of levitated cavity optomechanics has seen a renaissance due to the adaptation of coherent scattering from atomic physics. This departure from the traditional paradigm of dispersive coupling promises to bypass the technological barriers and allow for ground state cooling. Moreover, the obtainable coupling rates are expected to be an order of magnitude larger than in the dispersive case. In a first experiment, a levitated dielectric nanoparticle is weakly coupled to the optical cavity via coherent scattering and cooled to the ground state of its motion. This is the first demonstration of such a macroscopic solid cooled to its ground state without the use of cryogenics. In a second experiment, the coupling is increased to the strong coupling regime whereby the modes of the optical resonator and mechanical oscillator are hybridized. The resulting normal mode splitting is observed and used to characterize the coupling rate. In a third experiment, the coupling is increased further such that system is situated deep in the ultrastrong coupling regime where the system is dynamically unstable and exhibits an avoided crossing. This is the first solid-state optomechanical device to operate in the ultrastrong coupling regime. These three results lay a foundation for full quantum control of massive mechanical oscillators.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Physik
Schlagwörter
(Englisch)
Physics Quantum Optomechanics Levitation
Autor*innen
Kahan Mcaffer Dare
Haupttitel (Englisch)
From the weak to ultrastrong
Hauptuntertitel (Englisch)
coupling regimes in levitated cavity optomechanics
Paralleltitel (Deutsch)
Von der schwachen bis zur ultrastarken Kopplung
Paralleluntertitel (Deutsch)
Kopplungsregime in der Optomechanik der freischwebenden Hohlräume
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
ix, 153 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Peter Rabl ,
John Teufel
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC17396950
Utheses ID
71496
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |