Levitated optomechanics in vacuum using hollow core photonic crystal fibers and optical cavities

David Grass

doi:10.25365/thesis.54138

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1347449

Title (eng)

Levitated optomechanics in vacuum using hollow core photonic crystal fibers and optical cavities

Parallel title (deu)

Levitierte Optomechanik in Vakuum mit photonischen Hohlkernkristallfasern und optischen Resonatoren

Author

David Grass

Advisor

Markus Aspelmeyer

Assessor

Tracy Northup

Andrew Geraci

Abstract (deu)

Optisch levitierte Nanoteilchen offerieren eine vielversprechende Plattform für zahlreiche Sensorikanwendungen als auch für fundamentale Tests der Physik. Diese Arbeit sondiert neue Ansätze zur Manipulation und zur Kontrolle dieser Teilchen in unterschiedlichen Druckbereichen unter der Verwendung von nanophotonischen Strukturen und optischen Resonatoren. Im ersten Teil wird eine neue optische Falle die photonische Hohlkernkristallfasern verwendet präsentiert. Die optische Kontrolle und das optische Auslesen erlauben den Transport von Teilchen über noch nie da gewesene Entfernungen sowie das Rückkopplungskühlen innerhalb der Faser. Beides ist relevant um Nanoteilchen in Ultrahochvakuum zu laden. Die Verwendung des levitierten Nanoteilchens als lokalisierten Drucksensor erlaubt es die hydrodynamischen Eigenschaften des Hohlkernkanals direkt zu untersuchen. Unsere Messungen sind mit DSMC Simulationen der nichtlinearen Boltzmanngleichung bestätigt und wiederlegen vorhergegangene, vereinfachte Modelle von Druckprofilen in engen Kanälen. Im zweiten Teil wird ein optisch levitiertes Nanoteilchen an einen Fabry-Pérot Resonator im Hochvakuum gekoppelt. Dies wird verwirklicht indem eine optische Dipolfalle mit der TEM00 Mode eines Resonators hoher Güte überlagert wird. Dreidimensionales Rückkopplungskühlen in der Dipolfalle ermöglicht zuverlässigen Betrieb des optomechanischen Systems im Hochvakuum. Verglichen mit unserem vorhergehenden Experiment werden durch die neue Architektur die mechanischen Verluste um mindestens sechs Größenordnungen reduziert und der Ansatz zeigt einen vielversprechenden Weg zu Raumtemperaturquantumkontrolle auf.

Abstract (eng)

Optically levitated nanoparticles provide a promising platform for numerous sensing applications as well as fundamental tests of physics. This thesis explores novel approaches for manipulating and controlling such particles in different pressure regimes using nanophotonic structures and optical cavities. In the first part, a novel optical trap for nanoparticles utilizing hollow core photonic crystal fibers is presented. The optical control and read-out allows particle transport over unprecedent distances and feedback cooling inside the fiber, which are relevant for loading nanoparticles into ultra-high vacuum. Using the levitated nanoparticle as a localized pressure sensor, also allows to directly study the hydrodynamic properties of the hollow core fiber channel. Our measurements are confirmed by DSMC simulations of the nonlinear Boltzmann equation and rule out previous, simplified models of the pressure distribution in narrow channels. In the second part, an optically trapped nanoparticle is coupled to a Fabry Perot cavity at high vacuum. This is achieved by overlapping an optical dipole trap with the TEM00 mode of a compact high-finesse cavity. Three-dimensional feedback cooling inside the dipole trap allows stable operation of the optomechanical system in high vacuum. Compared to our previous experiments, the new architecture reduces the mechanical losses by at least six orders of magnitude and shows a promising route towards room-temperature quantum control.

Keywords (eng)

optical levitationoptomechanicsoptical tweezerhollow core photonic crystal fibernanoparticles

Keywords (deu)

Optische LevitationOptomechanikOptische PinzetteNanoteilchenphotonische Hohlkernkristallfaser

Subject (deu)

Quantenphysik

Subject (deu)

Optik

Type (deu)

Dissertation

Persistent identifier

https://phaidra.univie.ac.at/o:1347449