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Low dissipation magnetic levitation of superconducting microspheres
Joachim Hofer
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.81065
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25495.63068.406132-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Entwicklung einer einheitlichen Theorie für Quantenmechanik und Gravitation ist derzeitig eines der größten Ziele der Physik. Ein hohes Hindernis, dass es dabei zu überwinden gibt, ist der Mangel an Experimenten - um experimentelle Daten in diesem Bereich zu gewinnen, ist es nötig, die Bewegungsfreiheitsgrade eines massiven Teilchens in einen Quantenzustand zu versetzen. Der aktuelle Stand der Technik ermöglicht es, das Gravitationsfeld von Milligramm-Massen zu messen und optisch levitierte Teilchen mit Femtogramm-Massen in einen Quantenzustand zu versetzen. Die magnetische Levitation von supraleitenden Teilchen in einem quasistatischen Feld kann nahezu dämpfungsfrei sein, und zwar selbst für massive Teilchen, deren Gravitationsfeld experimentell nachweisbar ist. Die Bewegung dieser Teilchen kann über das Magnetfeld beeinflusst und prinzipiell in einen Quantenzustand versetzt werden. In dieser Arbeit habe ich das Fundament für Experimente mit levitierenden Supraleitern gelegt. Ich habe das Verhalten von supraleitenden Teilchen in einem Magnetfeld sowohl analytisch als auch numerisch berechnet und, basierend auf den Ergebnissen, eine magnetische Falle für Supraleiter entworfen. Ich habe die Falle in einen Entmischkryostaten bei 15mK eingebaut und damit eine supraleitende Kugel mit einem Durchmesser von 100um levitiert. Ich konnte die Bewegung der Kugel mit einem supraleitenden Quanteninterferenzgerät auslesen und einen Gütefaktor von 2.6e7 nachweisen. Durch Echtzeitverarbeitung des gemessenen Signals und einer darauf basierenden Modifikation des Magnetfelds konnte ich die Bewegung des Teilchens in allen drei Dimensionen kontrollieren. Weiters habe ich noch ein neuartiges kryogenens Vibrationisolationssystem entworfen und eingebaut, sowie Magnetschilder zur Abschirmung vor externen Magnetfeldschwankungen. Eine detaillierte Analyse der Ergebnisse zeigt, dass es mit weiteren Verbesserungen möglich ist, das levitierte Teilchen in einen Quantenzustand zu versetzen. Dadurch hat dieses System das Potential, Quantenphysik mit massiven, makroskopischen Teilchen zu betreiben und Gravitationseffekte in diesem Bereich zu testen.
Abstract
(Englisch)
Developing a self-consistent theory incorporating both quantum mechanics and gravity has been a major objective in physics for almost a century. The gravitational force is weak compared to the other fundamental forces and can only be detected for macroscopic source masses. Probing the intersection of quantum physics and gravity experimentally with a table-top experiment thus requires the preparation of motional degrees of freedom of large masses in a quantum state. The current state-of-the-art allows us to measure the gravitational field of milligram masses, and the center-of-mass motion of optically levitated femtogram masses has been prepared in a quantum state. The levitation of a superconducting particle inside a quasi-static magnetic field offers the tantalizing possibility of creating a levitated system in a harmonic potential with near-zero dissipation and possible particle sizes ranging from the sub-micrometer-scale up to the millimeter scale, such that the gravitational field of the oscillating particle is experimentally accessible. The motion of the levitated particle can be controlled by modulating the magnetic field, allowing for the possibility of preparing such a system in a quantum state. In this thesis I have created a framework for the levitation of superconducting particles in magnetic fields at ultra-low temperatures. I have developed both numerical and analytical tools to evaluate and predict the behavior of a superconducting sphere in an applied magnetic field. Based on the results, I have designed and assembled a magnetic trap for superconductors inside a dilution refrigerator at 15mK and used it to levitate a superconducting sphere with a diameter of 100um. The trapping frequencies can be adjusted between approximately 20Hz and 240Hz. The motion of the sphere is recorded with a superconducting quantum interference device and exhibits quality factors of up to 2.6e7. Real-time processing of the monitored signal and applying an appropriate feedback current through a coil located close to the particle enables three-dimensional feedback control of the center-of-mass motion. I have designed and implemented a novel cryogenic vibration isolation system to isolate the particle from external vibrations resulting in the suppression of external vibrations by seven orders of magnitude at 200Hz. I also incorporated magnetic shielding to protect the particle from magnetic field fluctuations. A thorough analysis of the results shows, that, with some improvements, this system has the potential to prepare quantum states of the center-of-mass motion of massive solid state objects in the micrometer regime. Such a system will be ideally suited as a quantum source of gravity for future table-top experiments aiming to probe quantum effects of gravity.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Magnetische Levitation
Schlagwörter
(Englisch)
Magnetic levitation
Autor*innen
Joachim Hofer 
Haupttitel (Englisch)
Low dissipation magnetic levitation of superconducting microspheres
Paralleltitel (Deutsch)
Magnetische Levitation von Supraleitern mit geringer Dissipation
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
6, 108 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Gerhard Kirchmair ,
Carles Navau
Klassifikation
33 Physik > 33.16 Elektrizität. Magnetismus
AC Nummer
AC17545610
Utheses ID
75106
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |