[论文解读] Simultaneous ground-state cooling of two mechanical modes of a levitated nanoparticle

Johannes Piotrowski, Dominik Windey+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用 8

一句话总结

该论文通过光腔中的相干散射，实现了对悬浮熔融二氧化硅纳米颗粒两个横向质心振动模式的同时基态冷却。通过将模式间的频率分离调节至超过光机械耦合速率，研究人员抑制了暗模效应，实现了剩余占据数分别为0.83和0.81的结果，从而实现了二维量子控制，并为实现三维基态冷却及量子极限的轨道角动量态铺平了道路。

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.

研究动机与目标

• 为克服悬浮纳米颗粒多模光机械冷却中暗模形成带来的限制。
• 在宏观物体中实现两个独立机械模式的同时基态冷却。
• 实现对悬浮纳米颗粒质心运动的完整三维量子控制。
• 探索用于精密传感的量子极限高轨道角动量态的生成。
• 在不同耦合强度和模式简并条件下验证侧带测温的准确性。

提出的方法

• 利用光腔对光的相干散射增强反斯托克斯过程，从而实现机械模式的冷却。
• 调节光镊的偏振态以控制横向机械模式间的频率分裂。
• 调节腔体失谐和光机械耦合强度以优化冷却效率。
• 采用本振本地振荡器的外差探测技术测量侧带谱并提取声子占据数。
• 采用全量子模型验证侧带测温方法，并量化声子数估计中的系统误差。
• 在高真空环境中通过偏振调制的光镊控制纳米颗粒的横向运动。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无暗模干扰的情况下，将悬浮纳米颗粒的两个机械模式同时冷却至接近基态？
• RQ2 模式频率分裂如何影响基于光腔冷却中暗模的抑制效果？
• RQ3 在耦合机械模式中，侧带测温在多大程度上能准确测量声子占据数？
• RQ4 二维基态冷却是否能够实现量子极限的轨道角动量态制备？
• RQ5 当机械模式趋于简并或强耦合时，多模冷却的极限是什么？

主要发现

• 测量得到两个横向质心振动模式的剩余占据数分别为0.83和0.81，证实了同时基态冷却的成功。
• 通过调节腔体失谐并增大模式间频率分离至超过耦合速率，有效抑制了暗模效应。
• 当模式充分分离且弱耦合时，侧带测温的系统误差极小（约1%），验证了测量的准确性。
• 该方法实现了对横向运动的二维控制，这对于制备具有大量子数的量子极限轨道角动量态至关重要。
• 该结果为利用悬浮纳米颗粒实现宏观物体的完整三维基态冷却提供了可行路径。
• 系统实现了约1.7ħ的角动量方差，表明已接近制备角动量本征态。