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Prospect for magnetic levitation in a superconducting chip trap
David Jonathan Walcher
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Markus Aspelmeyer
DOI
10.25365/thesis.79819
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21401.99949.312021-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und experimentelle Realisierung einer chipbasierten supraleitenden Levitationseinheit, die sowohl eine präzise optische Auslese als auch aktives magnetisches Feedback ermöglicht. Das System levitiert einen Siliziumchip mithilfe von vier supraleitenden Kugeln, die in einem magnetischen Quadrupolfeld gehalten werden. Die Positionsdetektion erfolgt interferometrisch mittels Homodyn-Technik; das gewonnene Signal wird zur Echtzeit-Rückkopplung über einen mikrostrukturierten supraleitenden Chip verwendet. Die Plattform baut auf früheren Experimenten mit einzelnen supraleitenden Kugeln auf, die in einem magnetischen Fallengebiet harmonisch oszillierten. Dort waren Kühlleistung und Auslesegenauigkeit durch die geringe Reflexion(∼ 70%beiderBetriebswellenlängedesLasers)undunregelmäßigeOberflächenstruktur der Kugeln begrenzt, was die erreichbare Positionsauflösung auf den Nanometerbereich einschränkte. Im Gegensatz dazu ermöglicht ein mit einer planen Goldschicht (? ∼ 90%) beschichteter Siliziumchip eine Reduktion der Ausleseungenauigkeit auf etwa 100 pm. Zudem erlaubt die Plattform perspektivisch die Integration einer konkaven, hochreflektierenden Beschichtung, wodurch optische Verluste in den Promillebereich gesenkt werden könnten. Damit rückt eine aus dem Quantenrauschen begrenzte Positionsmessung in greifbare Nähe—ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Auflösung des quantenmechanischen Grundzustands makroskopischer Objekte, deren Nullpunktsfluktuationen im Femtometerbereich liegen. Die Arbeit beginnt mit der Diskussion einer potenziellen Langzeitanwendung: dem Nachweis niederenergetischer Signaturen der Quantengravitation mittels makroskopischer Quantensysteme. In den folgenden Kapiteln werden die physikalischen Grundlagen der Supraleitung behandelt, darunter kritische Temperatur, Strom- undFeldstärkensowiederMeissner-Effekt, derdiemagnetischeLevitation erst ermöglicht. Es folgt die Integration interferometrischer Methoden sowie eine Analyse der mechanischen und optischen Eigenschaften des levitierten Chips. Die Herstellungsschritte, kryogene Anforderungen und Charakterisierung mechanischer Modi—neue Neigungs- und Rotationsbewegungen zusätzlich zu den harmonischen Oszillationen entlang der drei Fallenachsen—werden beschrieben. Anschließend werden diese Modi experimentell detektiert und eine effektive Amplitudenkühlung mittels externer Spulen demonstriert. Im weiteren Verlauf wird ein supraleitender Chip mit integrierten Stromschleifen vorgestellt, der lokales magnetisches Feedback ermöglicht. Abschließend skizziert die Arbeit Designüberlegungen für zukünftige Systeme, die eine Auflösung von Nullpunktsbewegungen ermöglichen sollen. Insgesamt stellt diese Arbeit eine neuartige hybride opto-mechanische Architektur vor, die rauschreduzierte kryogene Umgebungen mit präziser optischer Messtechnik kombiniert und so die Grundlage für quantengestützte Kontrolle levitierter makroskopischer Systeme legt.
Abstract
(Englisch)
This thesis presents the development and experimental realization of a chip-based superconducting levitation platform that enables precise optical readout and active magnetic feedback control. The system levitates a silicon chip attached to four superconducting discs suspended in a magnetic quadrupole field, with position detection achieved via homodyne interferometry. The position signal is used to apply real-time feedback through a microfabricated superconducting chip. This platform builds on earlier experiments involving single superconducting spheresoscillating in a magnetic trap, where cooling and readout performance were limited by the sphere’s low reflectivity (∼ 70% at the operational laser wavelength) and surface irregularities, ultimately restricting the achievable displacement resolution to the nanometer/√Hz scale. In contrast, a silicon chip coated with a flat gold surface (? ≥ 90%)enabledareductioninreadoutimprecision to the 100pm/√Hz level. Moreover, the silicon platform allows for the future integration of a concave, highly reflective coating. This advancement will allow to reduce the shot-noise displacement inaccuracy—an essential step toward quantum ground-state resolution of macroscopic objects, where the target displacement resolution lies in the femtometer/√Hz range. The thesis begins with a discussion of a long-term application: testing low-energy signatures of quantum gravity using macroscopic quantum systems. Subsequent chapters explore the physics of superconductivity, including critical temperature, current, and field, as well as the Meissner effect, which underpins magnetic levitation. The integration of interferometric techniques is detailed alongside the mechanical and optical properties of the levitating chip. Fabrication protocols, cryogenic requirements, and mode characterizations including new tilt and rotation modes in addition to the harmonic oscillation along the three trap axes, are presented. The experimental detection of these modes follow and we demonstrate effective amplitude cooling using external coils. Later, a superconducting chip with integrated current loops is introduced, enabling localized magnetic feedback. Finally, the thesis outlines design considerations for future systems aimed at resolving zero-point motion. Altogether, this work proposes a novel hybrid opto-mechanical architecture that merges cryogenic low-noise environments with precision optical measurement—laying groundwork for quantum-enabled control of levitated macroscopic systems.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Magnetische Levitation Supraleitung Kryogen Optomechanik
Schlagwörter
(Englisch)
magnetic levitation superconducting trap superconducting thin films Meissner Effect superconducting circuits cryogenic optomechanics chip-based levitation platform feedback cooling homodyne interferometry
Autor*innen
David Jonathan Walcher 
Haupttitel (Englisch)
Prospect for magnetic levitation in a superconducting chip trap
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
63 Seiten, 15 ungezählte Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Markus Aspelmeyer
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.74 Supraleitung
AC Nummer
AC17729371
Utheses ID
78255
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |