[論文レビュー] Shot noise dominant regime of a nanoparticle in a laser beam

Changchun Zhong, F. Robicheaux|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2017

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、レーザーのショットノイズ支配下における光学的トラップ下の異方性ナノ粒子におけるショットノイズ駆動の加熱およびパラメトリックフィードバック冷却を調査している。粒子の形状、特にアスペクト比と球形度が回転加熱率に顕著な影響を及ぼすことが示され、近似的に球形の粒子では有効回転加熱率が並進加熱率よりも低くなるため、そのライブラーション基底状態は振動基底状態よりも容易に達成可能である。

ABSTRACT

The technique of laser levitation of nanoparticles has become increasingly promising in the study of cool- ing and controlling mesoscopic quantum systems. Unlike a mechanical system, the levitated nanoparticle is less exposed to thermalization and decoherence due to the absence of a direct contact with a thermal environment. In ultrahigh vacuum, the dominant source of decoherence comes from the unavoidable photon recoil from the optical trap, and it sets an ultimate bound for the control of levitated systems. In this paper, we study the shot noise heating and the parametric feedback cooling of an optically trapped anisotropic nanoparticle in the laser shot noise dominant regime. The rotational trapping frequency and shot noise heating rate have a dependence on the shape of the trapped particle. For an ellipsoidal particle, the ratio of the axis lengths and the overall size controls the shot noise heating rate relative to the rota- tional frequency. For a near spherical nanoparticle, the effective heating rate for the rotational degrees of freedom is smaller than that for translation suggesting that the librational ground state may be easier to achieve than the vibrational ground state.

研究の動機と目的

• 光学的トラップ下のナノ粒子における粒子の非等方性がショットノイズ加熱および冷却に与える影響を分析すること。
• 回転自由度の加熱が並進自由度よりも小さい条件を特定すること。
• 粒子形状が、特に軸比とサイズが、ショットノイズ加熱率と回転周波数の相対的強度に与える影響を特定すること。
• ショットノイズ支配下において、非等方性ナノ粒子でライブラーション基底状態を達成可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 粒子の形状依存のトラップポテンシャルを計算するために、ナノ粒子を異方性誘電体体とモデル化する。
• レーザー場における光子の反動統計に基づき、回転自由度のショットノイズ加熱率を導出する。
• 電磁気学的理論を用いて、粒子のアスペクト比とサイズの関数としての回転トラップ周波数を計算する。
• 有効加熱率を回転と並進の間で比較し、冷却の相対的難易度を評価する。
• ショットノイズ加熱を補償するために、パラメトリックフィードバック冷却を適用する。
• ショットノイズ加熱率と回転周波数の比を、基底状態への到達可能性を評価するための主要指標とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子の非等方性は、レーザー捕獲ナノ粒子の回転自由度におけるショットノイズ加熱率にどのように影響するか？
• RQ2 楕円体形状ナノ粒子のアスペクト比とサイズは、その有効回転加熱率とどのような関係にあるか？
• RQ3 回転運動の有効加熱率が並進運動のそれよりも小さい条件は何か？
• RQ4 ショットノイズ支配下において、近似的に球形のナノ粒子では、ライブラーション基底状態を振動基底状態よりも容易に準備できるか？
• RQ5 パラメトリックフィードバック冷却は、非等方性ナノ粒子の回転モードにおけるショットノイズ加熱をどのように軽減するか？

主な発見

• 回転自由度におけるショットノイズ加熱率は、粒子の形状に強く依存し、アスペクト比と全体のサイズが、回転トラップ周波数に対する大きさを決定する。
• 楕円体ナノ粒子では、主軸の比と粒子サイズが、ショットノイズ加熱の相対的強度を直接制御する。
• 近似的に球形のナノ粒子では、回転モードにおける有効加熱率が並進モードよりも低くなる。
• この低減された回転加熱は、このような粒子においてライブラーション基底状態が振動基底状態よりも容易に到達可能であることを示唆する。
• 本研究では、形状依存の回転加熱抑制が特定され、粒子の形態を設計することで基底状態の準備を向上させられると示唆される。
• パラメトリックフィードバック冷却は、最適な粒子幾何形状によって加熱率が最小化された場合に特に効果的にショットノイズ加熱を補償する。