[論文レビュー] Sympathetic cooling and squeezing of two co-levitated nanoparticles

T. W. Penny, A. Pontin+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 63被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ポールトラップ内でのクーロン結合を介して、2つの共鳴上昇したシリカナノ粒子の共役冷却およびスリーシングを実証した。1つの粒子にフィードバック冷却を適用することで、2番目の粒子の運動が準ケルビン温度まで冷却され、パラメトリック駆動によりスリーシングが誘発され、粒子間でそのスリーシングが転送されることを示した。これは、クーロン相互作用を通じて非熱的状態をコherentに共有できることを証明するものである。

ABSTRACT

Levitated particles are an ideal tool for measuring weak forces and investigating quantum mechanics in macroscopic objects. Arrays of two or more of these particles have been suggested for improving force sensitivity and entangling macropscopic objects. In this article, two charged, silica nanoparticles, that are coupled through their mutual Coulomb repulsion, are trapped in a Paul trap, and the individual masses and charges of both particles are characterised. We demonstrate sympathetic cooling of one nanoparticle coupled via the Coulomb interaction to the second nanoparticle to which feedback cooling is directly applied. We also implement sympathetic squeezing through a similar process showing non-thermal motional states can be transferred by the Coulomb interaction. This work establishes protocols to cool and manipulate arrays of nanoparticles for sensing and minimising the effect of optical heating in future experiments.

研究の動機と目的

• レベイテッドナノ粒子アレイの冷却および操作プロトコルを開発し、力の感度を向上させ、量子実験を可能にする。
• 熱的および非熱的運動状態が、クーロン相互作用を通じて共鳴上昇ナノ粒子間で転送可能であることを実証する。
• 窒素バケーション中心などの温度感受性を示す内部自由度を有する系において、光学加熱効果を低減する。
• 1つの粒子からの制御および読み出しによって、ナノ粒子アレイ全体の状態を支配可能にする。
• 将来のエンタングルメント、マクロスケールスーパポジション、およびダークマター検出を含む、結合ナノ粒子アレイを用いた実験の基盤を確立する。

提案手法

• 静的および周期的電場を用いて、2つの charged なシリカナノ粒子を線形ポールトラップに共トラップし、それらの運動はクーロン反発力を含む結合調和振動子方程式に従う。
• 系は正規モード座標で記述され、対称モード（z+）および反対称モード（z−）は、運動方程式の結合系と静電相互作用を含む全ポテンシャルエネルギーから導出される。
• 速度減衰方式を用いたフィードバック冷却を1つの粒子に適用し、その運動を低減させ、クーロン結合を通じて2番目の粒子を共役冷却する。
• パラメトリック駆動を1つの粒子のz+モードに、変調されたフィードバック力によって適用し、スリーシングを生成する。利得Gは、加熱を最小限に抑えつつ最適なスリーシングを得るように調整される。
• z+モードの四分位測定は、復調およびローパスフィルタリングにより抽出され、位相空間図を用いてスリーシングおよび加熱効果を可視化する。
• ループフロッグ法を用いたシミュレーションにより、ビームの焦点効果および非線形フィードバック力が考慮され、高利得における異常加熱の原因が説明された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接冷却される粒子にクーロン結合することで、1つのナノ粒子の共役冷却が達成可能か？
• RQ2 スリーシング状態などの非熱的運動状態が、クーロン相互作用を通じて共鳴上昇ナノ粒子間で転送可能か？
• RQ3 クーロン結合が2粒子アレイにおける運動状態のコherent制御をどの程度可能にするか？
• RQ4 ビームの焦点およびフィードバックの非線形性が、レベイテッド系におけるパラメトリックスリーシングの性能にどのように影響するか？
• RQ5 1つの粒子を用いて、共役技術によりアレイ全体の状態を制御および読み出し可能か？

主な発見

• 共役冷却により、2番目のナノ粒子の温度が準ケルビンレベルまで低下し、正規モード温度は1 K未満に達した。
• 粒子1のz+モードで-1.70 ± 0.05 dB、粒子2で-1.69 ± 0.05 dBのスリーシングが測定され、非熱的状態の転送が確認された。
• 高スリーシング利得において異常加熱が観測され、焦点が非常に絞られたビームが位置依存のフィードバック力の原因であるとされた。
• シミュレーションにより、ビームの焦点径が粒子の運動振幅と同等の大きさである場合、非線形フィードバックが生じ、位相空間でのらせん運動を引き起こし、最大スリーシングの達成を制限することが確認された。
• z−モードはパラメトリック駆動の影響を受けることなく、適用された力によってz+モードの選択的制御が確認された。
• 本結果は、クーロン相互作用を通じて、熱的および非熱的状態が共鳴上昇ナノ粒子間でコherentに転送可能であり、多粒子アレイにおけるスケーラブルな制御が可能であることを示している。