[論文レビュー] Vacuum levitation and motion control on chip

Bruno Melo, Marc T. Cuairan+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、ファイバー結合型定常波光学トラップと平面電極を用いたフィードバック冷却を組み合わせることで、シリカナノ粒子の真空中での浮上および運動制御を完全に統合されたオンチッププラットフォームとして実現した。ファイバー結合型定常波光学トラップと平面電極によるフィードバック冷却を組み合わせることで、粒子運動の三次元冷却を数百フォノンまで達成し、小型化・スケーラブルで堅牢なチップ上での量子制御を実現した。

ABSTRACT

Levitation in vacuum has evolved into a versatile technique which has already benefited diverse scientific directions, from force sensing and thermodynamics to material science and chemistry. It also holds great promises of advancing the study of quantum mechanics in the unexplored macroscopic regime. While most current levitation platforms are complex and bulky, miniaturization is sought to gain robustness and facilitate their integration into confined settings, such as cryostats or portable devices. Integration on chip is also anticipated to enhance the control over the particle motion through a more precise engineering of optical and electric fields. As a substantial milestone towards this goal, we present here levitation and motion control in high vacuum of a silica nanoparticle at the surface of a hybrid optical-electrostatic chip. By combining fiber-based optical trapping and sensitive position detection with cold damping through planar electrodes, we cool the particle motion to a few hundred phonons. Our results pave the way to the next generation of integrated levitation platforms combining integrated photonics and nanophotonics with engineered electric potentials, towards complex state preparation and read out.

研究の動機と目的

• チップ上でのナノ粒子の真空中浮上を実現する小型化・堅牢性・スケーラビリティに優れたプラットフォームの開発。
• 高数値孔径（NA）レンズに代わるファイバー結合型光学トラップを用いて、大型光学系の制限を克服すること。
• 平面電極を用いたフィードバック冷却により、ナノ粒子運動の基底状態冷却を実現すること。
• 複雑な量子状態準備のため、光学的検出と電気的制御を1枚のチップに統合すること。
• 集光光学素子を用いずに、高い信号対雑音比を達成した変位検出を実現すること。

提案手法

• 1550 nm（y方向）および1064 nm（x方向）の対向するビームを発生させるために、4本の直交する切断単モードファイバーを用いる。
• これらのビームの干渉パターンにより、交差部に安定した光学トラップを形成し、高NAレンズを用いずに光学的閉じ込めを実現する。
• トラップされた粒子からの散乱光をファイバーに導入することで、高い感度と高い信号対雑音比を達成した位置検出を実現する。
• 光学層の下に配置された平面電極を用いて、x、y、z方向のフィードバック力の印加を実現し、アクティブ冷却を実行する。
• 帯電したナノ粒子に電気的力による線形フィードバック制御を適用し、運動を数百フォノンまで冷却する。
• 2光子重合を用いて、正確なアライメントと安定性を実現する機械的ファイバー支持部をプロセスで形成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大型光学素子を用いずに、完全に統合されたオンチッププラットフォームがナノ粒子の安定した真空中浮上を実現できるか？
• RQ2 ファイバー結合型光学トラップが、高NAシステムと同等の信号対雑音比を達成できるか？
• RQ3 平面電極によるフィードバック冷却が、三次元空間でナノ粒子運動を数百フォノンまで冷却できるか？
• RQ4 このようなプラットフォームが、将来的な量子実験に向けたスケーラブルで堅牢かつ小型化された制御を可能にするか？
• RQ5 光子的および電気的部品を1枚のチップに統合することで、複雑なダイナミクスプロトコルの実現が可能になるか？

主な発見

• 本プラットフォームは、シリカナノ粒子の三次元冷却を数百フォノンまで達成し、真空中での効果的な運動制御を実証した。
• ファイバー結合型光学トラップを用いることで、高信号対雑音比の変位検出が達成され、大型高NAレンズ系と同等の性能を示した。
• 平面電極の使用により、三次元空間のすべての方向で効率的なフィードバック冷却が可能となり、熱運動が顕著に低減された。
• 光学トラップ、位置検出、電気的冷却を1枚のチップに統合することで、量子ナノメカニクスのためのコンact、堅牢かつスケーラブルなプラットフォームが実現された。
• 高真空下で160 nmのシリカナノ粒子の安定した浮上と制御が実現され、最小限の熱雑音と高い安定性を示した。
• 本プラットフォームは低温環境にも対応可能であり、今後の統合光子回路およびナノフォトニクス構造との統合が可能である。