[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出了一种全集成的片上平台，利用基于光纤的光阱和平面静电电极，实现熔融二氧化硅纳米颗粒的真空悬浮与运动控制。通过结合光纤耦合的驻波光阱与基于平面电极的主动反馈冷却，作者实现了粒子运动在三维方向上的冷却，达到仅数百个声子的水平，从而在芯片上实现了鲁棒、可扩展且微型化的量子控制。

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.

研究动机与目标

• 开发一种微型化、鲁棒且可扩展的芯片级纳米颗粒真空悬浮平台。
• 通过用光纤基光阱替代高数值孔径透镜，克服传统大体积光学系统的局限性。
• 利用平面电极实现纳米颗粒运动的主动反馈冷却，以实现基态冷却。
• 在单片上集成光学探测与电控功能，以实现复杂量子态制备。
• 在无需聚焦光学元件的条件下，实现高信噪比的位移检测。

提出的方法

• 利用四根正交切割的单模光纤，产生反向传播光束，在1550 nm（y方向）和1064 nm（x方向）波长下形成驻波。
• 利用这些光束的干涉图案在交叉点形成稳定的光阱，实现无需高数值孔径透镜的光学约束。
• 利用被捕获粒子散射光进入光纤，实现高灵敏度的位移检测，且信噪比高。
• 在光学层下方布置一组平面电极，沿x、y和z方向施加反馈力，实现主动冷却。
• 通过在带电纳米颗粒上施加电场力，采用线性反馈控制，将运动冷却至仅数百个声子。
• 采用双光子聚合技术制造精密对准与高稳定性的机械光纤支架。

实验结果

研究问题

• RQ1 全集成的片上平台是否能在无需大体积光学元件的情况下，实现纳米颗粒的稳定真空悬浮？
• RQ2 基于光纤的光阱是否能实现与高数值孔径系统相当的、足够高的信噪比用于位移检测？
• RQ3 通过平面电极实现的主动反馈冷却是否能在三维空间中将纳米颗粒运动冷却至仅数百个声子？
• RQ4 该平台是否能实现面向未来量子实验的可扩展、鲁棒且微型化的控制？
• RQ5 在单片上集成光子与电学元件是否能实现复杂动力学协议？

主要发现

• 该平台成功将熔融二氧化硅纳米颗粒在三维方向上冷却至仅数百个声子，展示了在真空中对运动的有效控制。
• 通过光纤耦合的光阱实现了高信噪比的位移检测，性能可与大体积高数值孔径透镜系统媲美。
• 平面电极的使用实现了沿所有三个空间轴的高效主动反馈冷却，显著降低了热运动。
• 在单片上集成了光阱、位置检测与电控冷却功能，实现了紧凑、鲁棒且可扩展的量子纳米力学平台。
• 系统在高真空环境下实现了对160 nm熔融二氧化硅纳米颗粒的稳定悬浮与控制，热噪声极低，稳定性高。
• 该平台兼容低温环境，可与集成光子学及纳米光子结构实现未来集成。