Quantenoptische Bindung von schwebenden Nanopartikeln

Laserlicht kann Objekte, die kleiner als die Wellenlänge des Lasers sind, manipulieren und einfangen. Diese optischen Pinzetten werden regelmäßig eingesetzt um die Brownsche Dynamik von Kolloiden in Gasen und Flüssigkeiten zu untersuchen, Proben in der Biologie zu kontrollieren und einzelne Atome und Atomwolken einzufangen und zu kontrollieren. Seit 2010 werden optische Fallen auch eingesetzt um einzelne dielektrische Nanoobjekte im Ultrahochvakuum zu fangen und Kontrolle über ihre Bewegung bis in den Quantenbereich zu erhalten, z. B. durch Kühlung in den Grundzustand oder Squeezing. Optische Pinzetten können leicht zu Arrays beliebiger Geometrien zusammengesetzt werden, wodurch das optische Einfangen auf mehrere von Atomen oder Nanoobjekten besetzte Stellen ausgedehnt wird, die miteinander wechselwirken können. Ein solches System kann verwendet werden, um Verschränkung zu realisieren, topologische Physik zu untersuchen oder das Messen externer Kräfte zu verbessern. Abstimmbare Wechselwirkungen sind für all diese Anwendungen von entscheidender Bedeutung. In Anordnungen von optisch gefangenen Glass-Nanopartikeln kann gestreutes Laserlicht die Bewegung der Nanopartikel durch optische Bindungskräfte koppeln. Die daraus resultierende Wechselwirkung kann nicht reziprok sein, d. h. ein Teilchen kann das zweite antreiben, ohne, dass es eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung gibt. Nicht-reziproke Wechselwirkungen wurden für nicht-reziproke Kühlung, verbesserte Sensorik und die Untersuchung nicht- hermitescher Physik vorgeschlagen. In diesem System entstehen sie durch das Lichtbad, das beide Teilchen teilen d. h. durch das gestreute Licht, was ihre Anwendung im Quantenbereich einschränken könnte. Während viele optomechanische Experimente nicht-reziproke Wechselwirkungen nutzen, wurden alle im klassischen Bereich durchgeführt, wo die Effekte, die sich aus der Quantennatur des Lichts ergeben, vernachlässigt werden. Das Projekt QBind wird die Quantengrenzen der kürzlich nachgewiesenen nicht-reziproken optischen Bindungskräfte zwischen zwei optisch gefangenen Glass Nanokugeln untersuchen. Darüber hinaus wird untersucht, wie Quantenlimitierte Wechselwirkungen die Leistung von nicht-reziproker Kühlung begrenzen.