[論文レビュー] Scalable all-optical cold damping of levitated nanoparticles

Jayadev Vijayan, Zhao Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、外部電極や charged 粒子を用いずに、重心運動を冷ますためのスケーラブルな全光的冷却スキームを、空間的に変調された光トラップを用いて浮上ナノ粒子に適用する。プログラマブルなラジオ周波数トーンをアコウスティックオプティカルデフレクタ（AOD）に印加することで、トラップ位置と剛性（周波数）を独立して制御し、この方法により、2×10⁻⁶ mbarで17 mKまで基底状態冷却を達成した。さらに、2つの粒子の同時冷却を実証し、今後の多粒子もつれや3次元量子制御の研究を可能にする。

ABSTRACT

The field of levitodynamics has made significant progress towards controlling and studying the motion of a levitated nanoparticle. Motional control relies on either autonomous feedback via a cavity or measurement-based feedback via external forces. Recent demonstrations of measurement-based ground-state cooling of a single nanoparticle employ linear velocity feedback, also called cold damping, and require the use of electrostatic forces on charged particles via external electrodes. Here we introduce a novel all-optical cold damping scheme based on spatial modulation of the trap position that is scalable to multiple particles. The scheme relies on using programmable optical tweezers to provide full independent control over trap frequency and position of each tweezer. We show that the technique cools the center-of-mass motion of particles down to $17\,$mK at a pressure of $2 imes 10^{-6}\,$mbar and demonstrate its scalability by simultaneously cooling the motion of two particles. Our work paves the way towards studying quantum interactions between particles, achieving 3D quantum control of particle motion without cavity-based cooling, electrodes or charged particles, and probing multipartite entanglement in levitated optomechanical systems.

研究の動機と目的

• 静電力や光学キャビティに依存しない、浮上ナノ粒子の重心運動を冷却するスケーラブルで全光的である方法の開発。
• 1つの装置内で複数の誘電体ナノ粒子の独立的かつ調整可能なトラップと冷却を可能にする。
• 電荷を帯びた粒子や外部電極を必要とする既存のフィードバック冷却方式の制限を克服する。
• 浮上オプトメカニカル系における量子相関、もつれ、多体現象の研究のためのプラットフォームを提供する。

提案手法

• ラジオ周波数トーンをアコウスティックオプティカルデフレクタ（AOD）に印加することで生成されるプログラマブルな光トラップアレイを用い、各ナノ粒子のトラップ位置と剛性（周波数）を独立して制御する。
• 冷媒フィードバックは、各光トラップの空間的位置を粒子のトラップ周波数に同期して変調することで実装され、光強度勾配を回復力として用いる。
• 各空間軸に沿って粒子からの散乱光を測定するホモダイン検出方式により、運動のリアルタイムフィードバックが可能となる。
• フィードバックループでは、トゥイスター位置の電圧制御による変調が行われ、変調深さはループ内信号と総利得に比例し、有効な減衰を実現する。
• ループ外の四元素フォトダイオードを用いて粒子の運動をモニタリングし、フィードバックループに影響を与えないようにすることで、正確なキャリブレーションが保証される。
• 超高真空（≤2×10⁻⁶ mbar）でシステムが動作し、ガス減衰を最小限に抑え、高精度な冷却を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷を帯びた粒子や外部電極を用いずに、複数の浮上ナノ粒子に対して全光的かつスケーラブルな冷媒を実現できるか？
• RQ2 光トラップ位置の空間的変調が、重心運動の有効な線形フィードバック冷却をどのように可能にするか？
• RQ3 異なる散乱効率を持つ複数の粒子に対して、フィードバック減衰率をどれだけ独立して調整できるか？
• RQ4 この全光的スキームを用いたマルチ粒子系において、重心運動の最小達成温度はどの程度か？
• RQ5 この方法により、キャビティベースの冷却や静電制御を用いずに、マルチ粒子浮上系での量子状態準備が可能か？

主な発見

• 全光的冷媒スキームにより、1つのナノ粒子の重心運動が2×10⁻⁶ mbarの圧力下で17 mKまで冷却された。
• 2つのナノ粒子の同時冷却が実証され、キャリブレーションされたフィードバックゲインを用いて両粒子が同等の温度まで冷却された。
• フィードバック減衰率がガス圧に依存しないことが確認され、冷却が熱化ではなく冷媒メカニズムに支配されていることが裏付けられた。
• トラップ位置と剛性のスケーラブルな制御が達成され、粒子間の空間的分離は最大20 µmまで調整可能であった。
• 再加熱およびリングダウン測定により、一貫した減衰率と温度抽出が確認され、非平衡プロトコルによるキャリブレーションの妥当性が検証された。
• 電荷を帯びた粒子、外部電極、光学キャビティを一切使用せず、量子オプトメカニクスの分野においてよりシンプルで多様性に富んだプラットフォームを提供した。