[論文レビュー] Motional Quantum Ground State of a Levitated Nanoparticle from Room Temperature

Uroš Delić, Manuel Reisenbauer+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、コherent散乱を用いたキャビティ冷却により、室温下で143 nmのシリカナノ粒子の中心座標運動を0.43 ± 0.03フォノンまで冷却し、12 μKの温度に達することを示した。この系は7.6 μs（15回のコherentな振動）のコherenct時間を持ち、71 kHzのオプトメカニカル結合とC ≈ 5の協同性を示しており、高真空下でのマクロな量子実験への道筋を示している。

ABSTRACT

We report quantum ground state cooling of a levitated nanoparticle in a room temperature environment. Using coherent scattering into an optical cavity we cool the center of mass motion of a $143$ nm diameter silica particle by more than $7$ orders of magnitude to $n_x=0.43\pm0.03$ phonons along the cavity axis, corresponding to a temperature of $12~μ$K. We infer a heating rate of $Γ_x/2π= 21\pm 3$ kHz, which results in a coherence time of $7.6~μ$s -- or $15$ coherent oscillations -- while the particle is optically trapped at a pressure of $10^{-6}$ mbar. The inferred optomechanical coupling rate of $g_x/2π= 71$ kHz places the system well into the regime of strong cooperativity ($C \approx 5$). We expect that a combination of ultra-high vacuum with free-fall dynamics will allow to further expand the spatio-temporal coherence of such nanoparticles by several orders of magnitude, thereby opening up new opportunities for macrosopic quantum experiments.

研究の動機と目的

• 室温環境下でマクロな誘電体ナノ粒子の量子基底状態冷却を達成すること。
• 浮上ナノ粒子系において強いオプトメカニカル結合と高い協同性を実証すること。
• 光トラップを用いたマクロな量子実験のためのプラットフォームを確立すること。
• デコherenceのメカニズムを定量化し、自由落下状態での量子コherenctの延長に必要な条件を特定すること。

提案手法

• 143 nmのシリカナノ粒子の中心座標運動を、キャビティ軸に沿ってコherent散乱によるキャビティ冷却で冷却する。
• 10⁻⁶ mbarの圧力下で高真空環境に置かれた光トラップを用いてナノ粒子を閉じ込める。
• 加熱率（Γₓ/2π = 21 ± 3 kHz）を測定し、コherenct時間および波パッケージの拡張ダイナミクスを推定する。
• 背景ガス衝突およびブラックボディ放射線からのデコherenceをモデル化するため、局在化パラメータΛ = Γₓ / x_zpf²を用いる。
• 短距離近似（σ ≪ λ_th）および長距離飽和領域（σ ≫ λ_th）を用いて、最大コherenct長および時間の推定を行う。
• ブラックボディ放射線がデコherenceに与える影響を、吸収、放射、散乱の寄与を含めて評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 浮上ナノ粒子の中心座標運動は、室温下で量子基底状態まで冷却可能か？
• RQ2 現実的な圧力条件下で、光トラップ内の波パッケージが達成可能な最大コherenct時間は何か？
• RQ3 背景ガス衝突およびブラックボディ放射線は、量子状態のコherenctをどのように制限するか？
• RQ4 ナノ粒子のサイズ（約143 nm）まで波パッケージが拡張するには、どのような圧力および温度条件が必要か？
• RQ5 室温下の浮上ナノ粒子系で、強い協同性（C ≈ 5）を達成できるか？

主な発見

• ナノ粒子の運動はnₓ = 0.43 ± 0.03フォノンまで冷却され、これは12 μKに対応する。
• 測定された加熱率はΓₓ/2π = 21 ± 3 kHzであり、これによりコherenct時間が7.6 ± 1 μsに達した。
• オプトメカニカル結合率はgₓ/2π = 71 kHz、協同性C ≈ 5を達成した。
• 波パッケージはデコherenceまで約15回の振動をコherenctに維持し、最大コherenct長は10.2 pmであった。
• 10⁻⁶ mbarの圧力下では、背景ガス衝突によるデコherenceが支配的であり、飽和率は3.6 MHzであった。
• ナノ粒子サイズ（約143 nm）まで波パッケージを拡張するには、圧力を2 × 10⁻¹¹ mbar未満に低下させ、ブラックボディ放射線を130 K未満の低温で抑制する必要がある。