Левитирующая оптомеханика

Наночастица кремнезема, пойманная в оптический пинцет , освещенная зеленым лазерным лучом

Левитирующая оптомеханика — это область мезоскопической физики , которая занимается механическим движением мезоскопических частиц, которые левитируют оптически , электрически или магнитно . Благодаря использованию левитации можно исключительно хорошо отделить механическое движение частицы от окружающей среды. Это, в свою очередь, позволяет изучать квантовую физику больших масс , неравновесную и нанотермодинамику. и обеспечивает основу для приложений точного зондирования.

Мотивация

Для использования механических генераторов низкое затухание движения генератора и, следовательно, высокая добротность в режиме квантовой физики или в сенсорных приложениях желательны . В нано- и микромеханике добротность системы часто ограничивается ее подвеской, что обычно требует филигранных структур. Тем не менее, максимально достижимая добротность обычно коррелирует с размером системы. требующие больших систем для достижения высоких добротностей.

Левитация частиц во внешних полях может облегчить это ограничение. Это одна из причин, почему область левитирующей оптомеханики стала привлекательной для исследования основ физики и высокоточных приложений.

Физические основы

Взаимодействие диэлектрической частицы с поляризуемостью $\alpha$ и электрическое поле ${\vec {E}}$ определяется градиентной силой ${\vec {F}}_{grad}=-\alpha {\vec {\nabla }}{\vec {E}}^{2}/2$. Когда частица захватывается и оптически левитирует в фокусе гауссовского лазерного луча , силу можно аппроксимировать до первого порядка формулой $F_{grad,q}=-k_{q}q$ с $q\in \{x,y,z\}$, т.е. гармонический генератор с частотой $\omega _{q}={\sqrt {k_{q}/M}}$, где $M$ это масса частицы. Включение пассивного демпфирования , активной внешней обратной связи и связи приводит к Ланжевена уравнениям движения :

${\ddot {q}}(t)=-\underbrace {\Gamma _{CM}{\dot {q}}(t)} _{\text{damping}}-\underbrace {\omega _{q}^{2}q(t)} _{\text{restoring force}}+\underbrace {\frac {\sqrt {2\pi S_{ff}}}{M}} _{\text{coupling}}+\underbrace {u_{fb}(t)} _{\text{feedback}}$

Здесь $\Gamma _{CM}$ — это общая скорость затухания, которая обычно имеет два основных вклада: столкновения с атомами или молекулами фонового газа и фотонный дробовой шум , который становится доминирующим при давлениях порядка 10 ⁻⁶ мбар.

Термин связи позволяет моделировать любую связь с внешней тепловой баней .

Внешняя обратная связь обычно используется для охлаждения и управления движением частиц.

Приближение классического гармонического осциллятора остается верным до тех пор, пока не будет достигнут режим квантовой механики, где квантовый гармонический осциллятор является лучшим приближением и квантование энергетических уровней не станет очевидным. QHO имеет основное состояние с наименьшей энергией, в котором и положение, и скорость имеют минимальную дисперсию, определяемую принципом неопределенности Гейзенберга .

Такие квантовые состояния являются интересными стартовыми условиями для подготовки негауссовских квантовых состояний, квантового расширенного зондирования, интерферометрии материальных волн или реализации запутанности в многочастичных системах.

Методы охлаждения

Параметрическая обратная связь, охлаждение и холодное демпфирование

Идея охлаждения с обратной связью заключается в приложении к частице силы, зависящей от положения и/или скорости, таким образом, чтобы создать петлю отрицательной обратной связи .

Один из способов добиться этого — добавить член обратной связи, который пропорционален положению частицы ( $u_{fb}(t)\propto {\dot {q}}(t)$). Поскольку этот механизм обеспечивает демпфирование, которое охлаждает механическое движение без возникновения колебаний, его называют «холодным демпфированием». Первый эксперимент с использованием такого типа охлаждения был проведен в 1977 году Артуром Эшкиным . который получил Нобелевскую премию по физике 2018 года за новаторскую работу по захвату оптическими пинцетами .

Вместо применения линейного сигнала обратной связи можно также комбинировать положение и скорость с помощью $u_{fb}\propto q(t){\dot {q}}(t)$ чтобы получить сигнал с удвоенной частотой колебаний частицы. Таким образом, жесткость ловушки увеличивается, когда частица выходит из ловушки, и уменьшается, когда частица движется обратно.