Levitodynamical experiments with nanoparticles and ions trapped in Paul traps

Nano- und Mikropartikel, die im Vakuum levitiert werden, bieten eine vielversprechende Plattform zur Erforschung makroskopischer Quantenphysik und zur Untersuchung von ultrakleinen Kräften. Die Herausforderung besteht jedoch darin, einen stark nichtklassischen Bewegungszustand zu erzeugen und ihn zur Messung kleiner Kräfte zu nutzen. Dies erfordert technische Fortschritte. Ein Ansatz besteht darin, die Bewegung eines levitierten Partikels mit einem anderen gut kontrollierten Quantenobjekt, wie einem gefangenen Ion, zu koppeln. Ein solches System erfordert eine Umgebung mit geringer Dekohärenz, um das Ionen-Einfangen zu erleichtern und den empfindlichen Quantenzustand des Nanopartikels zu erhalten. Gleichzeitig erfordert die Auslesung des Bewegungszustands mit quantenmechanischer Genauigkeit eine starke Kopplung zwischen dem Partikel und seinem Messsystem. Diese Arbeit präsentiert Experimente mit in Paul-Fallen levitierten Nanopartikeln unter Hoch- und Ultrahochvakuum zur Realisierung eines hybriden Ionen-Nanopartikel-Systems. Wir haben eine Lade-Technik für Paul-Fallen entwickelt, die es uns ermöglicht, Nanopartikel bei Drücken unter 1×10^-10 mbar einzufangen, einem Regime, in dem stabiles Ionen-Einfangen möglich ist. Darüber hinaus zeige ich, wie diese Technik auf optische Fallen ausgedehnt wird. Wir haben gemessen, dass Nanopartikel-Schwingungen im Ultrahochvakuum (UHV) Gütefaktoren von über 10^10 und Dämpfungsraten von weniger als 100 nHz aufweisen. Wir haben Rückkopplungskühlung der Schwerpunktsbewegung eines Nanopartikels auf Temperaturen von wenigen Millikelvin mittels elektrischer oder optischer Kräfte realisiert. Ich liefere eine Analyse der Kühlungsbeschränkungen. Um diese Beschränkungen zu umgehen und die Kühlung in Richtung des Bewegungsgrundzustands weiter zu verbessern, haben wir eine neuartige interferometrische Detektionstechnik auf Basis von Selbstinterferenz entwickelt. Eine theoretische Analyse zeigt, wie die neue Methode im Vergleich zu anderen mo
Nano- and microparticles levitated in vacuum provide a promising platform to study macroscopic quantum physics and probe ultra-small forces. However, engineering a highly nonclassical state of motion, and using it to measure small forces, remains an outstanding challenge that requires technical advances. One approach is to couple the motion of a levitated particle to another well-controlled quantum object, like a trapped ion. Such a system requires a low-decoherence environment to facilitate ion trapping and to preserve the fragile quantum state of the nanoparticle. At the same time, however, readout of the motional state with quantum accuracy requires a strong coupling between the particle and its measurement system. This thesis presents experiments with nanoparticles levitated in Paul traps under high and ultra-high vacuum toward the realization of a hybrid ion-nanoparticle system. We have developed a loading technique for Paul traps that allows us to trap nanoparticlesat pressures lower than 1e−10 mbar, a regime where stable ion trapping is possible. Furthermore, I show how this technique is extended to optical traps. We have measured that nanoparticle oscillations in ultra-high vacuum (UHV) exhibit quality factors exceeding 1e10 and damping rates lower than 100 nHz. We have realized feedback cooling of the center-of-mass motion of a nanoparticle to temperatures of few millikelvin by using either electrical or optical forces. I provide an analysis of the cooling limitations. To circumvent these limitations and further improve cooling toward the motional ground state, we have developed a novel interferometric detection technique based on self-interference. A theoretical analysis reveals how the new method yields a larger detection efficiency when compared to other state-of-the-art techniques. We have tested the self-interference method in a proof-of-principle experiment and have extracted the necessary parameters for reaching the ground state in the future. These
Lorenzo Dania, MSc
Kumulative Dissertation aus sieben Artikeln
Dissertation University of Innsbruck 2023