Cavity-vermittelte Interaktion zwischen levitierten Teilchen

Das optische Einfangen von Objekten im nano- und mikrometer Bereich mit Lasern - die optische Pinzette - stand im Mittelpunkt des Nobelpreises für Physik 2018, der an Arthur Ashkin verliehen wurde. Die Technik wird heute in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen eingesetzt, vom Einfangen von Atomen in der Atomphysik über die Kontrolle von Bakterien bis hin zur Untersuchung von DNA. In jüngerer Zeit wurde es in spannenden Forschungsrichtungen mit Objekten im mittleren Nanometerbereich - Glasnanopartikeln, die etwa 1000-mal kleiner als ein Sandkorn sind - wie der Quantenoptomechanik, der stochastischen Thermodynamik, der Erforschung dunkler Materie und der Sensorik eingesetzt. In der Quantenoptomechanik werden optische Resonatoren verwendet, um die Wechselwirkung mit dem Laser zu verbessern, wodurch wir eine präzise Steuerung der Bewegung eines eingefangenen Nanopartikels erreichen können. Zum Beispiel können wir durch Anregung von Photonen zur Absorption die Bewegungsenergie der Teilchen effizient auf die niedrigste erreichbare Temperatur abkühlen, so dass Quanteneffekte - zum Beispiel Superposition - mit makroskopischen Objekten bei Raumtemperatur beobachtet werden können. Dieses Projekt zielt darauf ab, die optische Steuerung auf eine Kette identischer Partikel auszudehnen, um ihre Bewegungen über eine große Distanz zu verschränken und so einen höchst nicht-klassischen Bewegungszustand herzustellen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir bekannte Techniken aus der Atomphysik implementieren, um ein Trap-Array von optischen Pinzetten zu erzeugen. Wir werden zunächst zwei Teilchen einfangen und untersuchen, wie ihre Bewegung über Photonen gekoppelt ist, d. H. Wir werden die "optische Bindung" zwischen den Teilchen untersuchen. Diese Kraft muss für zwei Dipole, d. H. Nanopartikel, die kleiner als die Laserwellenlänge sind, im Nanometerbereich noch vollständig erforscht werden. Darüber hinaus planen wir, Nanopartikel kontrolliert elektrisch aufzuladen, um einen zusätzlichen direkten Kopplungsmechanismus über die Coulomb-Wechselwirkung bereitzustellen und so eine von und frei wählbare Einstellung des Systems zu realisieren. Als letzten Schritt zur Realisierung von Quantenbewegungszuständen werden wir die Trap-Arrays mit einem optischen Resonator kombinieren, der es uns ermöglicht, zwei Teilchen zu kühlen und zu verschränken. Dieser Ansatz wird einen großen Einfluss auf die Grundlagenforschung der makroskopischen Quantenphysik haben. Darüber hinaus wird erwartet, dass unser Experiment eine neuartige Plattform für andere Forschungsrichtungen bietet, wie zum Beispiel Untersuchungen der optischen Bindung, der Erfassung schwacher Kräfte, der (Quanten-) Synchronisation und der Quanten-Vielteilchenphysik.

Laserlicht kann Festkörperobjekte wie Glaspartikel von der Größe eines Tausendstels eines Sandkorns "einfangen" und von allen anderen Kräften isolieren. Wenn sie in diesen sogenannten "optischen Pinzetten" gefangen sind, kann der Laser verwendet werden, um die Bewegung eines einzelnen Partikels bis auf das Quantenniveau zu manipulieren, wo seine Bewegung auf die niedrigstmögliche Temperatur einfriert. Ziel dieses Projekts war es, zwei oder mehr Partikel gleichzeitig einzufangen, sie miteinander interagieren zu lassen und kollektive Quantenbewegungszustände zu erzeugen. Wir haben während des Projekts Arrays aus optischen Pinzetten gebaut, wobei jede Pinzette genau ein kugelförmiges Glaspartikel einfängt. Die Partikel streuen den Laser überall hin und ein Teil des gestreuten Lichts trifft auf andere Partikel. Durch diesen Prozess können die Partikel Kräfte aufeinander ausüben. Wir haben zum ersten Mal optische Kräfte zwischen zwei Nanopartikeln nachgewiesen und gezeigt, dass sie auch nichtreziprok sein können. Wir haben die nichtreziproken Kräfte verwendet, um neuartige nicht-hermitesche Dynamiken zu programmieren, bei denen die Partikel begannen, sich gemeinsam in Phase zu bewegen. Darüber hinaus haben wir die elektrostatische Wechselwirkung zwischen zwei geladenen Glaspartikeln beobachtet, was verspricht, in zukünftigen Arbeiten die Bewegung zweier Partikel zu verschränken.