title: Rotational cooling of non-spherical particles
Creators: name: Fechtel, Florian Johannes Friedrich
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Einer der Hauptforschungsschwerpunkte in moderner Physik liegt darin, den Übergang zwischen klassischer Physik und der Quantenmechanik zu beschreiben. Nanoteilchen, die mit hoher Präzision in ihrer Translations- und Rotationsbewegung gesteuert werden können, haben sich als vielversprechend erwiesen, quantenmechanischem Verhalten an schweren Objekten mit ungefähr 10^7 amu zu beobachten. Interferenz-Experimente mit diesen Teilchen würden den aktuellen Massenrekord um drei und die Makroskopizität um mehr als fünf Größenordnungen erhöhen. In aktuellen Experimenten mit modernstem Stand der Technik hat man es geschafft, diese Teilchen über 100 pm zu delokalisieren, was ihre Nullpunktsschwingung übertrifft. Um die Teilchen über ihre gesamte Ausdehnung zu delokalisieren wurden Rotations-Interfenz-Experimente vorgeschlagen, die die Quantelung des Drehimpulses ausnutzen, und die daraus resultierende periodische Wiederholung der Orientierung. Die Realisierung der Experimente erfordert die quantenmechanische Kontrolle über sowohl die Translationen als auch die Rotationen des Teilchens, so dass Position und Orientierung definiert werden können. Bisher ist es gelungen, die Translationen in einer und zwei Dimensionen in ihren jeweiligen Grundzustand zu kühlen. Der Grundzustand in allen sechs Dimensionen konnte bisher noch nicht nachgewiesen werden, ist aber auch für die Interferenz-Experimente nicht notwendig. In unserem Experiment widmen wir uns der Rotationsmechanik im Feld der Optomechanik und verwenden einen optischen Resonator für Kühlversuche mit kohärent gestreutem Licht. Dazu laden wir Siliziumdioxid Teilchen in eine optische Pinzette, indem wir sie durch einen Laserpuls von einer Probe lösen. Danach werden sie innerhalb der stehenden Welle des optischen Resonators positioniert. Über die Dämpungsverhältnisse der Teilchenbewegung schließen wir auf dessen Asymmetrie. Unsere Analyse hat ergeben, dass wir hantelförmige Teilchen, die aus zwei sphärischen anisotropen Teilchen bestehen, fangen. Abhängig von ihrer Form orientieren sich die Teilchen innerhalb der elliptisch polarisierten Falle und beginnen um ihre Ausrichtung zu librieren. Wir beobachten zwei der drei Librationen direkt und können ihre Frequenz über die Elliptizität modulieren. Bei Drücken unterhalb von 1 mbar beobachten wir, dass die beiden Librationen über die dritte diffusive Rotation koppeln und daher hybride Moden entstehen. Aus der resultierenden Frequenzaufspaltung bestimmen wir die Rotationsfrequenz der nicht sichtbaren dritten Rotationsmode. Außerdem stellen wir fest, dass die freie Rotation die ?- und ?-Bewegung des Teilchens destabilisiert, sodass der Übergang in Hoch-Vakuum schwierig ist. Um dies zu verhindern und die Teilchen Orientierung zu stabilisieren, lassen wir es zusätzlich um die ?-Achse rotieren. Vom Teilchen gestreutes Licht besetzt den zunächst leeren Resonator. Abhängig vom Freiheitsgrad koppelt die Teilchenbewegung an eine der zwei orthogonalen Polarisationsmoden des Resonators. Wird dieser zusätzlich in Bezug zur optischen Falle blau-verstimmt, verstärkt er Anti-Stokes-Streuung. Dies führt dazu, dass die Bewegungsenergie des Teilchens reduziert wird. Damit haben wir es geschafft, alle drei Translationsfreiheitsgrade gleichzeitig zu kühlen. Bei einem Druck von 10^−4 mbar haben wir eine finale Temperatur der ?-, ?- und ?-Bewegung von 36 mK, 129 mK und 105 mK erreicht, was einer Besetzungsszahl von ungefähr 20 · 10^3 entspricht. Diese ist hauptsächlich durch Phasenrauschen des Lasers limitiert. Wir haben es geschafft, diesen mithilfe eines nicht ausgeglichenen Mach-Zehnder Interferometer lokal um die Teilchen Frequenzen um 20 dB zu senken. In Simulationen haben wir gezeigt, dass es dadurch schon bald möglich ist, die beiden beobachteten Librationen in ihren jeweiligen Grundzustand zu kühlen.
description: Exploring the classical to quantum transition at ever-increasing mass scales is the key goal in modern physics. With precise control over the translational and rotational degrees of levitated nanoparticles in ultra-high vacuum, these particles are promising candidates for probing quantum mechanical behavior. We aim to operate interference experiments with masses around 10^7 amu, which would increase the current mass limit by three orders of magnitude and the macroscopicity by more than five orders. In current state-of-the-art experiments, the maximal achieved delocalization of the particles on the order of 100 pm exceeding the zero-point motion. For coherence length over the particle extent, rotational interference schemes like rotational revivals or tennis racket flips have been proposed. They require both translational and rotational quantum control beyond the particle, ensuring a defined position and orientation. This is achieved by cooling the motion in its quantum regime. While translational ground state cooling has already been performed in one and two dimensions, the ground state in the system’s librational modes remains outstanding. However, this is not crucial for performing rotational interference. In our experiment, we explicitly investigate the rotational optomechanics in a high-finesse cavity with coherent scattering cooling. Therefore, we launch non-spherical silica nanoparticles using laser induced acoustic desorption and trap them in an optical tweezer and along the standing wave of the cavity. We characterize the particle asymmetry by evaluating its translational damping and determine its shape. Based on the analysis, we trap nano-dumbbells consisting of two anisotropic spheres, sticking together. Determined by the shape, the particle orients inside the elliptical polarized trap, leading to librational motion. We detect two librational modes directly, and we can modulate their frequencies by the tweezer ellipticity. At pressures below 1 mbar, the librational modes couple through the third diffusive rotation, forming two hybrid modes. From the resulting frequency separation, we obtain the rotation frequency, characterizing the undetected mode. We observe this free evolution destabilizing the ?- and ?-motion, rendering the transfer to high-vacuum challenging. To address this, we optically drive rotation around the tweezer axis to stabilize the particle orientation. Scattered light from the particle populates the initially empty cavity. Depending on the degrees of freedom, the particle motion couples to one of the two orthogonally polarized cavity modes. By blue-detuning the cavity modes with respect to the optical tweezer, Anti-Stokes scattering is enhanced, and carries away motional energy. We observe the coupling of five degrees of freedom to their respective mode and demonstrate three-dimensional translational cooling. At a pressure of 10^−4 mbar, we achieve final temperatures of 36 mK, 129 mK and 105 mK for the ?-, ?-, ?-motion respectively, corresponding to an occupation number in each mode of ∼ 20 × 10^3. The final temperature is primarily limited due to laser phase noise. We overcome this limit by phase noise reduction around the relevant particle frequencies using an unbalanced Mach-Zehnder interferometer. According to our simulation, this will enable ground state cooling along the two observed librational degrees of freedom, in the near future.