Parametric Feedback Cooling of Rigid Body Nanodumbbells in Levitated Optomechanics
我们从理论上研究了参数反馈冷却下光悬浮纳米钟的刚体动力学，并提供了一个简化的模型来描述运动。与以前的研究不同，纳米粒子绕其对称轴的自旋被认为是不可忽略的。模拟结果表明，标准的参数反馈冷却可以提取能量从两个五个旋转自由度的纳米粒子悬浮时，使用线性偏振激光束。反馈冷却后的动力学的特征在于由一个正常的模式，描述进动的激光偏振轴与自旋的纳米粒子的对称轴。冷却剩余的模式需要在与关于偏振轴的运动相关联的两个振动频率中的不对称性以及关于偏振轴的两个旋转频率的信息。引入非对称势允许完全冷却的librational坐标，如果两者的频率都用于反馈调制，是进入librational量子制度的途径。势中的不对称性需要足够大以用于实际冷却时间，因为系统的冷却速率非线性地取决于不对称性的程度，这是实验上容易实现的条件。
2018-12-21 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Non-equilibrium steady state of a driven levitated particle with feedback cooling
激光捕获的纳米粒子最近被用作模型系统，以研究远离平衡的基本关系。在这里，我们研究，实验和理论，纳米二氧化硅球悬浮在低密度气体中的激光。粒子的质心运动同时受到反馈冷却和驱动系统进入非平衡稳态的参数调制。基于粒子的朗之万运动方程，我们推导了该稳态能量分布的解析表达式，表明通过适当选择摩擦、冷却和调制参数，可以分别控制能量分布的平均值和方差。在计算机模拟中确定的能量分布和在实验室实验中测量的分析预测吻合得很好。我们还分析了粒子运动的求积，发现热压缩依赖于失谐的程度。
2015-02-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
A laser cooled nanocryostat: Refrigeration, alignment and rotation of levitated Yb$^{+3}$:YLF nanocrystals
在真空中冷却和操纵悬浮纳米粒子的能力是探索宏观量子力学\cite{WanPRL2016,Scala2013,Zhang2013}、力的精确测量、\cite{GambhirPRA2016}和非平衡热力学\cite{GieselerNatNano2014,MillenNat2014}的一个有前途的新工具。光学悬浮提供的极端隔离提供了一个低噪声、无阻尼的环境，迄今为止已被用于测量zeptonewton力\cite{GambhirPRA2016}、辐射压力散粒噪声、\cite{Jain2016}和演示质心运动\cite{LiNatPhys2011,Gieseler2012}的冷却。基态冷却以及宏观量子叠加的产生和测量现在已经触手可及，但需要控制质心和内部温度。虽然现在已经实现了将质心运动冷却到微开尔文温度，但内部温度保持在室温或远高于室温。在这里，我们展示了制冷的悬浮Yb $^{3+}$：YLF从室温到130 K使用反斯托克斯荧光冷却，同时使用光阱场对准晶体，以最大限度地冷却。
2017-03-21 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph physics.optics
Inert shell coating for enhanced laser refrigeration of nanoparticles: application in levitated optomechanics
Sydney Quantum Academy（悉尼量子学院）；School of Mathematical and Physical Sciences, Macquarie University（麦考瑞大学数理科学学院）；ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems, Macquarie University（麦考瑞大学工程量子系统卓越研究中心）；School of Engineering, Macquarie University（麦考瑞大学工程学院）；ARC Centre for Nanoscale BioPhotonics, Macquarie University（麦考瑞大学纳米生物光子学中心）
研究设计了具有惰性壳层的纳米颗粒以提高激光制冷效率，发现壳层结构使部分纳米颗粒显著降温，达到147K，为实现绝对冷却开辟新途径。
2023-07-13 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
6 GHz hyperfast rotation of an optically levitated nanoparticle in vacuum
我们报告了一个实验观察的破纪录的超高旋转频率约6 GHz的光悬浮纳米粒子系统。我们用高数值孔径（NA）的物镜在重力方向上光学捕获纳米颗粒，这在补偿散射力和电泳力对陷阱的影响方面显示出显著的优势，特别是在中等压力（约100 Pa）下。这使我们能够在不使用反馈冷却的情况下从大气压到低压（$10^{-3}$ Pa）捕获纳米颗粒。我们测量的最高旋转频率约为4.3 GHz的被困纳米粒子没有反馈冷却和6 GHz的旋转与反馈冷却，这是迄今为止报道的最快的机械旋转。我们的工作提供了有用的指导，有效地观察超高速旋转的光学悬浮系统，并可能会发现各种应用，如超灵敏的扭矩检测，探测真空摩擦，并测试非常规的退相干理论。
2021-04-25 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Torsional optomechanics of a levitated nonspherical nanoparticle
真空中的光悬浮纳米粒子是一种用于宏观量子力学传感和研究的典型光机系统。虽然它的质心运动已被深入研究，其扭转振动仅在有限的情况下进行了理论研究。在这里，我们报告的第一个实验观察的扭转振动的光学悬浮非球形纳米粒子在真空中。我们利用光子的自旋角动量和非球形纳米粒子的扭转振动之间的耦合来实现这一点，纳米粒子的极化率是一个张量。扭转振动频率可以比其质心运动频率高一个数量级，这对于基态冷却是有希望的。我们提出了一个简单而新颖的方案，利用线偏振的高斯腔模来实现其扭转振动的基态冷却。真空中悬浮的非球形纳米颗粒也将是超灵敏的纳米级扭秤，在现实条件下具有$10^{-29} ~\mathrm{N}\cdot \mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{ Hz}}$量级的扭矩检测灵敏度。
2016-08-13 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
On-demand assembly of optically-levitated nanoparticle arrays in vacuum
实现大尺度完全可控量子系统是当前物理学研究中的一个具有挑战性的课题，具有广泛的应用前景。真空光镊中的超冷原子和分子阵列已被用于量子模拟、量子精密测量和量子计算。近年来，真空中单个光悬浮纳米粒子质心运动的量子基态冷却被证实，为研究宏观量子力学和精密测量提供了前所未有的机会。在这项工作中，我们创建了一个可重构的光悬浮纳米粒子阵列在真空中。我们的光悬浮纳米颗粒阵列允许完全控制单个纳米颗粒，以形成任意图案并检测它们的运动。作为一个具体的例子，我们选择了两个纳米粒子没有旋转信号的阵列合成纳米哑铃原位合并到一个陷阱。原位合成的纳米哑铃可以旋转超过1 GHz。我们的工作为研究宏观多体物理提供了一个新的平台。
2022-07-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Full Rotational Control of Levitated Silicon Nanorods
我们研究了悬浮在光阱中的纳米硅棒。通过操纵光的偏振，我们获得了对杆的反平移动力学的完全控制。我们能够捕获它的质心，并使其沿着激光场的线性偏振方向排列。通过利用椭圆偏振光施加的辐射压力，可以将杆设置为以调谐频率旋转。棒的旋转运动动态地修改光学势，这允许在数百千赫兹以上调谐旋转频率。这种捕获和控制纳米粒子的运动和排列的能力开辟了旋转光学力学、旋转基态冷却和欠阻尼状态下旋转热力学研究的领域。
2017-03-16 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Quantum theory of light interaction with a Lorenz-Mie particle: Optical detection and three-dimensional ground-state cooling
本文超越点偶极近似，推导了光与任意尺寸介质球质心运动的量子耦合理论及信息辐射模式，预测了通过光学探测与主动反馈将微米尺度介质球三维质心运动冷却到基态的可行方案，对宏观量子检验和暗物质探测具有重要意义。
2023-12-01 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Levitodynamics: Levitation and control of microscopic objects in vacuum
利用原子物理学、控制理论和光学力学领域的科学成就，真空中悬浮的纳米和微米物体的控制具有相当大的兴趣。将悬浮系统的运动与内部自由度以及与外力和系统耦合的能力为科学和技术提供了机会。吸引人的研究方向，从基础量子物理到商业传感器，已经被许多最近的实验成果所解锁，包括光学悬浮纳米粒子的运动基态冷却。我们回顾了悬浮动力学的现状、挑战和前景，悬浮动力学是一门致力于理解、控制和使用真空中悬浮的纳米和微米物体的多学科研究。
2022-02-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
Macroscopic Quantum Superpositions via Dynamics in a Wide Double-Well Potential
本文提出通过突然关闭谐振子势阱并让冷却后的悬浮粒子在宽双阱势中演化来快速制备宏观量子叠加态，并分析噪声与退相干，提出双粒子方案抑制集体噪声，为在宏观尺度探索引力量子效应铺路。
2024-01-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Thermal nonlinearities in a nanomechanical oscillator
具有高品质（Q）因子的纳米和微机械振荡器由于其作为超灵敏探测器的潜在应用而受到广泛关注。与微制造器件相比，真空中的光学捕获纳米颗粒不会遭受箝位损失，因此导致更大的Q因子。我们发现，对于悬浮的纳米粒子的热能足以驱动纳米粒子的运动到非线性政权。首先，我们实验测量和充分表征的频率波动源于热运动和非线性。其次，我们证明了反馈冷却可以用来减轻这些波动。高水平的控制使我们能够充分利用纳米谐振器的力传感能力。我们的方法提供了20 zN $Hz^{-1/2}$的力灵敏度，这是迄今为止在室温下报道的最高值，足以感测超弱相互作用，如非牛顿类重力力。
2013-07-15 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
