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Extending free expansion times of charged levitated nanoparticles in vacuum
David Steiner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Thomas Nikolai Kiesel
Mitbetreuer*in
Yaakov Fein
DOI
10.25365/thesis.81458
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-23194.48057.867098-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die kohärente Ausdehnung eines quantenmechanischen Wellenpakets ist ein notwendiger, fundamentaler Schritt in vielen experimentellen Protokollen, um nicht-klassische Zustände zu erzeugen, zu manipulieren und diese auch auszulesen, insbesondere für optisch levitierte, dielektrische Nanoteilchen, bei denen die Ausdehnung des Grundzustands im Potential in der Größenordnung von 10 pm liegt. Freie Evolution ist wahrscheinlich die naheliegendste Technik, um diese Zustandsausdehnung zu erreichen. Freie Evolution bedeutet in diesem Fall, das Teilchen aus seinem harmonischen Fallenpotential freizulassen, wodurch sich die Positionsvarianz vergrößert und sich der Zustand koheränt ausdehnt. Obwohl es sich um eine einfache und effektive Technik zur Ausdehnung handelt, erfordert eben genau jenes Ausschalten des Fallenpotentials eine Kompensation statischer Kräfte, um zu verhindern, dass sich das Teilchen während der freien Evolution aus dem Fallenpotential bewegt. Mit wiederholtem Fangen im optischen Potential, Freilassen und Wiederauffangen eines geladenen Nanoteilchens wurden Methoden zur Messung und Kompensation statischer Kräfte entwickelt. Die Kompensation von Gravitation und elektrostatischen Feldern in drei Dimensionen ermöglicht infolgedessen eine freie Evolution von 1ms mit anschließendem Wiederauffangen des Nanoteilchens. Um dies zu erreichen, haben wir zusätzlich Methoden entwickelt, den cross-talk zwischen den Elektrodenachsen zu messen und zu korrigieren. Ebenso wurden Wege entwickelt, die Ladungsverteilung der Umgebung kontrolliert zu manipulieren. Wird nun noch ein kurzer harmonischer Puls zwischen zwei freien Expansionen hinzugefügt, so können wir Rekompressions- und Time-of-Flight-Protokolle durchführen, welche die Kohärenz des Prozesses sowie die Anwendbarkeit zur weiteren Erzeugung von mechanischen Squeezed States zeigen.
Abstract
(Englisch)
Coherent expansion of a quantum wavepacket is a necessary fundamental step in many experimental protocols to prepare, manipulate, and read out non-classical states, especially for levitated dielectric nanoparticles where the ground state extent is on the order of 10 pm. Free evolution is potentially the most straightforward technique to achieve this state expansion. Free evolution means releasing the particle from its harmonic trapping potential, allowing its position variance to grow, expanding the state. While it is both a simple and effective expansion scheme, it does require compensation of static forces to avoid mean displacement of the wavepacket during the free evolution. Using an optical trap-release-recapture sequence involving a charged nanoparticle we developed methods to measure and counteract static forces. Compensating gravity and stray electric fields, in three dimensions, we demonstrate free evolution for 1 ms with subsequent recapture. To achieve this, we additionally developed methods to map and correct for force cross-talk between axes, as well as to control in a deterministic manner the nvironmental charge state. Coupled with a short harmonic pulse in between two free expansions, we have performed recompression and time-of-flight protocols, speaking for the coherence of our approach as well as its usefulness to further generate squeezed mechanical states.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Makroskopische Quantenmechanik Elektrostatische Kompensation Wellenpaketexpansion Freie Evolution von geladenen Nanoteilchen Optische Pinzette
Schlagwörter
(Englisch)
Wavepacket expansion Electrostatic force compensation Macroscopic quantum mechanics Free evolution of charged nanoparticles Optical Tweezer
Autor*innen
David Steiner 
Haupttitel (Englisch)
Extending free expansion times of charged levitated nanoparticles in vacuum
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
x, 113 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Thomas Nikolai Kiesel
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC17917931
Utheses ID
81265
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |