[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文通过保罗阱中的库仑耦合，实现了两个共悬浮二氧化硅纳米颗粒的协同冷却与压缩。通过对一个颗粒施加反馈冷却，第二个颗粒的运动被冷却至亚开尔文温度，而参数驱动诱导的压缩通过库仑相互作用在颗粒间传递，证明了非热态可通过库仑相互作用相干共享。

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.

研究动机与目标

• 开发用于冷却和操控悬浮纳米颗粒阵列的协议，以提高力灵敏度并实现量子实验。
• 证明热态与非热态运动模式可通过库仑相互作用在共悬浮纳米颗粒间转移。
• 减少具有温度敏感内部自由度的系统中的光学加热效应，例如氮空位中心。
• 通过协同技术实现仅通过一个颗粒控制和读出整个纳米颗粒阵列。
• 为未来涉及纠缠、宏观叠加态及暗物质探测的耦合纳米颗粒阵列实验奠定基础。

提出的方法

• 使用静态和振荡电场将两个带电的二氧化硅纳米颗粒共捕获在直线保罗阱中，其运动由包含库仑排斥力的耦合谐振子方程控制。
• 系统通过正则模式坐标描述，其中对称模式（z+）和反对称模式（z−）由运动方程耦合并结合总势能（包括静电相互作用）推导得出。
• 通过速度阻尼方案对一个颗粒施加反馈冷却，降低其运动，从而通过库仑耦合协同冷却第二个颗粒。
• 通过调制反馈力对一个颗粒的z+模式施加参数驱动以生成压缩，调节增益G以实现最优压缩并最小化加热。
• 通过解调和低通滤波提取z+模式的正交测量，利用相空间图可视化压缩和加热效应。
• 使用龙格-库塔算法的模拟考虑了光束腰效应和非线性反馈力，解释了在高增益下出现的异常加热。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过库仑耦合使一个纳米颗粒经由直接冷却的第二个颗粒实现协同冷却？
• RQ2 非热运动态（如压缩态）能否通过库仑相互作用在共悬浮纳米颗粒间转移？
• RQ3 库仑耦合在多粒子阵列中实现运动态相干控制的程度如何？
• RQ4 光束聚焦和反馈非线性对悬浮系统中参数压缩性能有何影响？
• RQ5 能否通过协同技术仅用一个颗粒控制和读出整个阵列的状态？

主要发现

• 协同冷却使第二个纳米颗粒的温度降低至亚开尔文水平，正常模温度低于1 K。
• 在颗粒1的z+模式中测得-1.70 ± 0.05 dB的压缩，在颗粒2中测得-1.69 ± 0.05 dB，证实了非热态的转移。
• 在高压缩增益下观察到异常加热，归因于聚焦过紧的光束引起位置相关的反馈力。
• 模拟结果证实，当光束腰与颗粒运动振幅相当，会导致非线性反馈，引发相空间中的螺旋运动，限制最大可实现压缩。
• z−模式未受参数驱动影响，证实通过施加力可选择性控制z+模式。
• 结果表明，通过库仑相互作用，热态与非热态均可在共悬浮纳米颗粒间相干转移，实现了多粒子阵列的可扩展控制。