Cavity cooling by coherent scattering of a levitated nanosphere in vacuum

Uros Delic

doi:10.25365/thesis.57151

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1352800

Title (eng)

Cavity cooling by coherent scattering of a levitated nanosphere in vacuum

Author

Uros Delic

Advisor

Markus Aspelmeyer

Co-Advisor

Nikolai Kiesel

Assessor

Monika Schleier-Smith

Helmut Ritsch

Abstract (deu)

Die Bewegung eines optisch levitierten, dielektrischen Nanoteilchens im Ultrahochvakuum ist gut von der Umgebung isoliert. Aus diesem Grund ist es ein vielversprechendes System um Quantenverhalten bei Raumtemperatur nachzuweisen. Ein Weg um dies zu erreichenist die Bewegung des Nanoteilchens an ein optisches Resonator zu koppeln (levitated cavity optomechanics). In dieser Arbeit werden zwei sehr unterschiedliche Methoden des Resonatorkühlens betrachtet die einerseits notwendig sind um den Bewegungsgrundzustand eines levitierten Nanoteilchens zu demonstrieren und andererseits den ersten Schritten zur totalen Quantenkontrolle bei Raumtemperatur darstellen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird unser experimenteller Aufbau für Optomechanik mit levitierten Nanoteilchen vorgestellt. Das Nanoteilchen ist in einer optischen Pinzette gefangen und in dem optischen Resonator positioniert, wobei die Oszillationsfrequenzen in der Pinzette weit von allen Resonanzen des optischen Resonators entfernt sind. Der Resonator wird extern mit einem rotverstimmtem Laser gepumpt, der die Bewegung des Nanoteilchens entlang der Resonatorachse steuert (z.B. kühlen). Um die Nanoteilchenbewegung im Vakuum vollständig zu stabilisieren werden die nicht axialen Richtungen mit parametrischer Rückkühlung gekühlt. Wir charakterisieren die optomechanischen Kopplungsraten sowie die mechanischen und optischen Verlustraten um die optomechanische Kooperativität zu bestimmen. Wir demonstrieren erstmals stabiles Resonatorkühlen im Hochvakuum (p~10e-6 mbar). Der zweite Teil beschäftigt sich mit einem deutlich verbessertem Kühlschema, das auf einer resonatorverstärkten, kohärenten Streuung der optischen Pinzette basiert, d.h. der zunächst leere optische Resonator wird nur durch das von dem Nanoteilchen gestreuten Licht gepumpt. Folglich wird mit einer Pinzette, die bezüglich der Resonanz des optischen Resonators rotverstimmt ist, die Bewegung in alle Richtungen stark gekühlt. Wir zeigen echtes, dreidimensionales Resonatorkühlen, das stabiles levitieren im Hochvakuum ohne aktive Rückkühlung ermöglicht. Im Gegensatz zum dispersiven Regime der konventionellen Cavityoptomechanik ist die Kopplung der axialen Bewegung am Wellenknoten (Intensitätsminimum der Stehwelle) am größten, was zu einer starken Unterdrückung des Heizens durch Phasenrauschen führt (> 40 dB) für unsere Parameter). Unsere beobachtete Leistungsfähigkeit impliziert, dass Resonatorkühlen durch kohärente Streuung die Kühlung von levitierten Nanoteilchen in den Grundzustand bei Hintergrunddrücken von unter 10e-7 mbar und ohne zusätzliche Laserrauschfilterung ermöglichen sollte.

Abstract (eng)

The motion of an optically levitated dielectric nanosphere is well isolated from the environment in ultra-high vacuum. For that reason, it is a promising system to demonstrate quantum behavior at room temperature. One route to achieve this is to couple the nanosphere motion to an optical cavity field, i.e. levitated cavity optomechanics. This thesis considers two very different cavity cooling schemes on the path to demonstrate motional ground state cooling of a levitated nanosphere, which is a first step towards full quantum control at room temperature. In the first part of this thesis we present our experimental setup for levitated cavity optomechanics. The nanosphere is trapped in an optical tweezer and positioned inside the optical cavity, with the tweezer frequency far away from all cavity resonances. The cavity is driven externally with a red-detuned laser, which controls (e.g. cools) the nanosphere motion along the cavity axis. In order to fully stabilize the nanosphere motion in vacuum, the non-axial directions are cooled with parametric feedback cooling. We characterize the optomechanical coupling rates as well as mechanical and optical loss rates in order to determine the optomechanical cooperativity. We demonstrate for the first time stable cavity cooling in high vacuum (p ~10e-6 mbar). The second part introduces a significantly improved cooling scheme based on cavity-enhanced coherent scattering off the optical tweezer, i.e. the initially empty optical cavity is driven only by the light scattered off the nanosphere. Subsequently, for a tweezer red-detuned with respect to a cavity resonance the motion along all directions is strongly cooled. We demonstrate genuine three-dimensional cavity cooling, which also allows for stable levitation in high vacuum without active feedback control. In contrast to the dispersive regime in conventional cavity optomechanics, coupling of the axial motion is largest at the cavity node (intensity minimum of the cavity standing wave), which results in a strong suppression of the phase noise heating (> 40 dB for our parameters). Our observed performance implies that cavity cooling by coherent scattering should enable quantum ground state cooling of levitated nanoparticles for background pressures below 10e-7 mbar and without additional laser noise filtering.

Keywords (eng)

levitationcavity optomechanicscavity coolingcoherent scatteringhigh vacuum

Keywords (deu)

LevitationCavityoptomechanikCavitykühlungkohärente StreuungHochvakuum

Subject (deu)

Quantenphysik

Type (deu)

Dissertation

Persistent identifier

https://phaidra.univie.ac.at/o:1352800

DOI

10.25365/thesis.57151