[論文レビュー] Simultaneous ground-state cooling of two mechanical modes of a levitated nanoparticle

Johannes Piotrowski, Dominik Windey+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、光学キャビティへの coherent 散乱を用いて、浮遊状態のシリカナノ粒子の2つの横方向の重心モードを同時に基底状態冷却することを示した。モード間の周波数分離を、オプトメカニカル結合レートを超えるように調整することで、ダークモード効果を抑制し、残留占有数をそれぞれ 0.83 および 0.81 にまで低下させ、2次元量子制御を実現し、3次元基底状態冷却および量子制限の軌道的角運動量状態への道筋を切り開いた。

ABSTRACT

The quantum ground state of a massive mechanical system is a steppingstone for investigating macroscopic quantum states and building high fidelity sensors. With the recent achievement of ground-state cooling of a single motional mode, levitated nanoparticles have entered the quantum domain. To overcome detrimental cross-coupling and decoherence effects, quantum control needs to be expanded to more system dimensions, but the effect of a decoupled dark mode has thus far hindered cavity-based ground state cooling of multiple mechanical modes. Here, we demonstrate two-dimensional (2D) ground-state cooling of an optically levitated nanoparticle. Utilising coherent scattering into an optical cavity mode, we reduce the occupation numbers of two separate centre-of-mass modes to 0.83 and 0.81, respectively. By controlling the frequency separation and the cavity coupling strengths of the nanoparticle's mechanical modes, we show the transition from 1D to 2D ground-state cooling while avoiding the effect of dark modes. Our results lay the foundations for generating quantum-limited high orbital angular momentum states with applications in rotation sensing. The demonstrated 2D control, combined with already shown capabilities of ground-state cooling along the third motional axis, opens the door for full 3D ground-state cooling of a massive object.

研究の動機と目的

• 浮遊ナノ粒子のマルチモードオプトメカニカル冷却におけるダークモード形成の制限を克服すること。
• 質量の大きな対象物において、2つの独立した機械的モードを同時に基底状態に冷却すること。
• 浮遊ナノ粒子の重心運動の完全な3次元量子制御を可能にすること。
• 高軌道的角運動量状態の量子制限の生成を検討すること。
• 結合定数やモードデゲネラシーの変動下でのサイドバンド温度計測の正確性を検証すること。

提案手法

• 光のcoherent 散乱を用いてキャビティを介し、反ストokes過程を強化することで、機械的モードを冷却する。
• 光学トラップの偏光を調整することで、横方向の機械的モード間の周波数分裂を制御する。
• キャビティのデチューニングおよびオプトメカニカル結合強度を調整し、冷却効率を最適化する。
• 局所発振器を用いたヘテロダイン検出によりサイドバンドスペクトルを測定し、フォノン占有数を抽出する。
• 完全な量子モデルを用いてサイドバンド温度計測を検証し、フォノン数推定における系統的誤差を定量化する。
• 高真空環境下で偏光調整可能な光学トラップを用いてナノ粒子の横方向運動を制御する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 浮遊ナノ粒子の2つの機械的モードを、ダークモードの干渉を受けることなく、同時に近似的に基底状態に冷却できるか？
• RQ2 キャビティベースの冷却において、モード周波数分裂がダークモードの抑制に与える影響はいかほどか？
• RQ3 結合した機械的モードにおいて、サイドバンド温度計測がフォノン占有数をどれほど正確に測定できるか？
• RQ4 2次元基底状態冷却は、大きな量子数を持つ量子制限の軌道的角運動量状態の準備を可能にするか？
• RQ5 機械的モードがデゲネラシーに近づくか、強い結合状態にある場合、マルチモード冷却の限界は何か？

主な発見

• 2つの横方向の重心モードの残留占有数は、それぞれ 0.83 および 0.81 に測定され、同時に基底状態に冷却されたことが確認された。
• キャビティのデチューニングと、モード間の周波数分離を結合レートを超えるように調整することで、ダークモード効果が効果的に抑制された。
• モードが十分に分離され、弱い結合状態にある場合、サイドバンド温度計測の系統的誤差は最小限（約1%）に抑えられ、測定の正確性が裏付けられた。
• 本手法により、横方向運動の2次元制御が可能となり、大きな量子数を持つ量子制限の軌道的角運動量状態を生成する上で不可欠な条件が満たされた。
• 本研究の結果は、質量の大きな対象物の完全な3次元基底状態冷却への道筋を確立した。
• システムは、約 1.7ħ の予想される角運動量分散を達成しており、これは角運動量固有状態に近い状態の準備を示している。