[논문 리뷰] Simultaneous ground-state cooling of two mechanical modes of a levitated nanoparticle

Johannes Piotrowski, Dominik Windey외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 30.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 광학 공진통을 통한 응집성 산란을 이용하여 레벨레이티드 실리카 나노입자의 두 개의 횡방향 중심질량 모드를 동시에 기저 상태 냉각하는 것을 보여준다. 모드 간 주파수 간격을 광기계 결합률을 초과하도록 조절함으로써 연구자들은 어둠의 모드 효과를 억제하고 잔류 진동수 수치를 각각 0.83과 0.81로 도달시켰으며, 이는 2차원 양자 제어를 가능하게 하고 3차원 기저 상태 냉각 및 양자 한계에 도달한 궤도 운동량 상태로의 길을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 레벨레이티드 나노입자의 다중 모드 광기계 냉각에서 어둠의 모드 형성의 한계를 극복하기 위해.
• 질량이 큰 물체에서 두 개의 독립된 기계 모드를 동시에 기저 상태로 냉각하기 위해.
• 레벨레이티드 나노입자의 중심질량 운동에 대한 완전한 3차원 양자 제어를 가능하게 하기 위해.
• 정밀 감지에 적합한 양자 한계에 도달한 고궤도 운동량 상태의 생성을 탐색하기 위해.
• 결합 및 모드 디게너시 조건이 변화할 때 부스터 스펙트럼 열역학 측정의 정확도를 검증하기 위해.

제안 방법

• 광학 공진통에서의 빛의 응집성 산란을 이용해 반스토크스 과정을 강화함으로써 기계 모드를 냉각한다.
• 횡방향 기계 모드 간 주파수 분리도를 제어하기 위해 광트랩의 편광을 조절한다.
• 공진통의 왜곡과 광기계 결합 강도를 조절하여 냉각 효율을 최적화한다.
• 로컬 오실레이터를 사용한 이방성 검출을 통해 부스터 스펙트럼을 측정하고 진동수 수를 추출한다.
• 전체 양자 모델을 사용하여 부스터 열역학 측정을 검증하고 진동수 수 추정의 체계적 오차를 정량화한다.
• 고진공 환경에서 편광 조절된 광트랩을 통해 나노입자의 횡방향 운동을 제어한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레벨레이티드 나노입자의 두 기계 모드가 어둠의 모드 간섭 없이 동시에 근접 기저 상태로 냉각될 수 있는가?
• RQ2 공진통 기반 냉각에서 모드 주파수 분리도가 어둠의 모드 억제에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 결합된 기계 모드에서 부스터 열역학 측정이 진동수 수를 얼마나 정확하게 측정하는가?
• RQ4 2차원 기저 상태 냉각은 양자 한계에 도달한 궤도 운동량 상태의 준비에 기여할 수 있는가?
• RQ5 기계 모드가 디게너시에 가까워지거나 강한 결합 상태에 있을 때 다중 모드 냉각의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 두 횡방향 중심질량 모드의 잔류 진동수 수치는 각각 0.83과 0.81로 측정되어 동시 기저 상태 냉각을 확인하였다.
• 공진통을 왜곡하고 모드 간 주파수 간격을 결합률을 초과하도록 조절함으로써 어둠의 모드 효과가 효과적으로 억제되었다.
• 모드가 잘 분리되어 있고 약한 결합 상태일 경우 부스터 열역학 측정에서 체계적 오차가 최소 (~1%)로 나타나 측정 정확도가 검증되었다.
• 이 방법은 횡방향 운동에 대한 2차원 제어를 가능하게 하여 큰 양자 수를 가진 양자 한계에 도달한 궤도 운동량 상태를 생성하는 데 필수적이다.
• 결과적으로 질량이 큰 물체의 완전한 3차원 기저 상태 냉각을 위한 길을 마련하였다.
• 시스템은 약 1.7ħ의 궤도 운동량 분산을 도출하여, 궤도 운동량 고유 상태에 가까운 준비 상태를 나타내었다.