[論文レビュー] Controlling the Motion of a Nanoparticle Trapped in Vacuum

Jamie Vovrosh, Muddassar Rashid+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2016

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、パラボリックミラーと1550 nmレーザーを用いたコンactな光学トラップ装置を提案し、真空中で1つのナノ粒子をトラップすることで、パラメトリックフィードバックを用いて10 mK未塔の全3次元冷却を実現した。1つのレーザーと1つのフォトダイオードでのみ、機械的Qファクターが4×10⁷を超えることを達成し、10⁻⁶ mbarの圧力まで安定したトラッピングを実現した。

ABSTRACT

We demonstrate a simple and robust geometry for optical trapping in vacuum of a single nanoparticle based on a parabolic mirror and the optical gradient force, and we demonstrate rapid parametric feedback cooling of all three motional degrees of freedom from room temperature to a few mK. A single laser at 1550nm, and a single photodiode, are used for trapping, position detection, and cooling for all three dimensions. Particles with diameters from 26nm to 160nm are trapped without feedback to 10$^{-5}$mbar and with feedback engaged the pressure is reduced to 10$^{-6}$mbar. Modifications to the harmonic motion in the presence of noise and feedback are studied, and an experimental mechanical quality factor $>4 imes 10^7$ is estimated.

研究の動機と目的

• 真空中の単一ナノ粒子用のシンプルで頑丈な光学トラップ幾何構造の開発。
• 1つのレーザーとフォトダイオードを用いてナノ粒子運動の全3次元冷却を達成すること。
• アクティブフィードバックを用いることで、安定トラッピングに必要な真空圧力要件を低減すること。
• トラップされたナノ粒子系の機械的Qファクターの測定と向上。

提案手法

• パラボリックミラーを用いてナノ粒子を真空中でトラップする強力な光学勾配力を生成する。
• 1つの1550 nmレーザーが、1つのフォトダイオードで収集されるバックストラック光を介して、トラッピングと位置検出の両方を提供する。
• 粒子の自然振動数に合わせてレーザー強度を変調することで、パラメトリックフィードバック冷却を実装し、全3次元の運動を減衰させる。
• フィードバックなしでは10⁻⁵ mbar、フィードバックありでは10⁻⁶ mbarの圧力で動作し、長期的な安定性を実現する。
• 振動の調和的運動に対するノイズとフィードバックの影響を実験的に特徴付け、システム性能を評価する。
• 粒子の振動スペクトルのライン幅から機械的Qファクターを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのレーザーとフォトダイオードで、真空中でのナノ粒子の全3次元トラッピング、位置検出、冷却が可能か？
• RQ2 この単一レーザー・フィードバック方式を用いた場合、ナノ粒子運動の最低到達温度はどの程度か？
• RQ3 真空中の条件下で、フィードバックがトラップされたナノ粒子の調和的運動と安定性に与える影響は何か？
• RQ4 このシステムの機械的Qファクターは何か？また、理論的限界と比較するとどうか？
• RQ5 フィードバックありとなしの場合、安定したトラッピングを維持できる真空圧力はどの程度か？

主な発見

• 本システムは、フィードバックなしでも10⁻⁵ mbarの圧力で、直径26 nmから160 nmのナノ粒子を真空中にトラップすることに成功した。
• フィードバックを有効化した場合、真空圧力は10⁻⁶ mbarまで低下し、長期的な安定トラッピングが可能になった。
• 全3次元の運動自由度が、パラメトリックフィードバックを用いて室温から10 mK未塔まで冷却された。
• システムの機械的Qファクターは4×10⁷を超えており、極めて低いエネルギー散逸を示している。
• 実験的セットアップは、1つのレーザーと1つのフォトダイオードでのみ全制御を達成しており、実装が簡素化された。
• ノイズとフィードバックが調和的運動に与える影響が実験的に定量化され、安定的でコherentな振動が確認された。