Modelling Optomechanical Responses in Optical Tweezers Beyond Paraxial Limits
本文提出利用三维捕获光数值解精确模拟光镊并预测光力学参数,通过控制数值孔径和测量振荡频率验证方法准确性,为悬浮动力学中的光镊表征提供通用工具。
2024-11-18 physics.optics
Unraveling the optomechanical nature of plasmonic trapping
纳米物体的非侵入性和超精确的光学操纵作为纳米技术和生物物理学中的一种强大的使能工具,最近获得了越来越多的兴趣。在这种情况下,自诱导反作用(SIBA)捕获在纳米光学腔中显示出独特的潜力,在低光强度下捕获和操纵纳米尺寸的物体。然而,SIBA效应的存在迄今为止仅通过其增强的捕获性能间接证明。在这篇文章中,我们首次提出了一个直接的实验证据的自我重新配置的光学潜力所经历的纳米粒子被困在一个等离子体纳米腔。我们的观察使我们能够进一步了解SIBA机制,并确定最佳条件,以提高基于SIBA的纳米光镊的性能。
2015-11-23 physics.optics
Simultaneous cooling of all six degrees of freedom of an optically levitated nanoparticle by elliptic coherent scattering
该研究利用高精细度光学腔中的椭圆相干散射,实现了高真空光镊悬浮纳米粒子全部六个平动与转动自由度的同时冷却和取向控制。
2022-05-20 physics.optics quant-ph
Observations of a PT-like phase transition and limit cycle oscillations in non-reciprocally coupled optomechanical oscillators levitated in vacuum
本文在真空光阱中实现两个非互易耦合悬浮纳米粒子的集体非厄米动力学,通过调节俘获光束相对功率观测到类PT相变和Hopf分岔诱导的极限环振荡,为奇异点传感和拓扑光机械介质研究提供新平台。
2024-08-05 physics.optics
Near-field coupling of a levitated nanoparticle to a photonic crystal cavity
悬浮介质粒子的量子控制是量子光力学中的一个新兴课题。一个主要的挑战是有效地测量和操纵粒子的运动在海森堡不确定性极限。在这里,我们提出了一个纳米光子接口适合解决这个问题。通过光学捕获一个150 nm的二氧化硅颗粒,并将其放置在近场的光子晶体腔,我们实现了可调谐的单光子光学机械耦合高达$g_0/2π=9$ kHz,三个数量级大于先前报道的悬浮腔光学机械系统。通过纳米光子结构的光的有效收集和引导导致与常规远场检测相比增加两个数量级的每光子位移灵敏度。所展示的性能为室温量子光学力学提供了一条有前途的途径。
2019-01-13 physics.optics quant-ph
Robust photon blockade with hybrid molecular optomechanics
Hunan Normal University(湖南师范大学);Huzhou University(湖州学院);Gannan Normal University(赣南师范大学);RIKEN(理化学研究所);The University of Michigan(密歇根大学);Institute for Quantum Science and Technology, College of Science, NUDT(国防科技大学理学院量子科学与技术研究院)
本研究通过结合退化光学参量放大与混合分子腔光学机械系统,实现了在任意调制条件下具有强光子反聚束效应的鲁棒光子阻塞,展示了其在非经典态工程、量子传感和光子精密测量中的应用潜力。
2025-12-24 physics.optics
Direct Measurement of Photon Recoil from a Levitated Nanoparticle
光子和物体之间的动量传递定义了测量物体精度的基本极限。如果物体以频率$Ω_0$振荡,则该测量反作用以$Γ_{\rm recoil}$的速率将量子$\hbarΩ_0$添加到振荡器的能量,这一过程称为光子反冲加热,并设置腔光学机械系统中的量子相干性时间的界限。在这里,我们使用光学悬浮纳米粒子在真空中直接测量$Γ_{\rm recoil}$。通过相敏反馈方案,我们冷却的纳米粒子的谐波运动从环境到微开尔文温度和测量其再加热率的影响下的辐射场。反冲加热率测量不同的颗粒尺寸和不同的激发功率,而不需要腔光学或低温环境。测量结果与理论预测定量一致,为量子基态冷却协议的实现和超小力的测量提供了有价值的指导
2016-03-24 physics.optics
Nonlinear dynamics and millikelvin cavity-cooling of levitated nanoparticles
光学机械系统探索和利用光与物质的机械运动之间的耦合。一个非线性耦合提供了丰富的新物理,在量子和经典制度。我们调查一个动态的,而不是通常研究的静态,非线性光学机械系统,包括悬浮和冷却的纳米球的混合电-光阱。光学腔提供线性位置和二次位置(非线性)光物质耦合的读出,同时在高真空中无限期地将纳米球冷却到毫开尔文温度。我们观察到冷却的线性和非线性运动,导致$10^5$倍减少声子数$n_p$,达到最终occupancy的$n_p = 100-1000$。这项工作使悬浮物体的腔冷却到量子基态变得触手可及。
2015-11-26 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Chiral thermodynamics in tailored chiral optical environments
我们提出了一个光学力学模型,描述了一个过阻尼的手征纳米粒子在两个反向传播的高斯光束的驻波中形成的光学势中扩散的随机运动。我们展示了如何手征光学环境可以诱导在驻波没有修改的初始双稳态通过控制每个光束的偏振。在这种控制下,产生光学手性密度和/或光学手性通量,分别与施加在扩散手性纳米颗粒上的反应性手性光学力和耗散手性光学力相关联。这种光机械手性耦合偏置的热力学的热激活的障碍交叉,在依赖于纳米粒子对映异构体和光学场对映异构体的方式。我们表明,反应性的手性力量,是保守的,有助于一个全球性的,对映体,亥姆霍兹自由能的变化?景观。相反,当手性纳米颗粒被浸入耗散手性环境中时,非保守手性光学力破坏了手性势的对称性。在这种情况下,手性电磁场通过耗散将机械能连续地传递到手性纳米颗粒。对于这种手性非平衡稳态,势垒交叉的热力学变化的形式的热传递到热浴和产量手性去消旋方案,可以明确地计算在我们的模型的框架内。三维随机模拟证实并进一步说明了手性的热力学影响。我们的研究结果揭示了如何手性自由度的纳米粒子和光场可以转化为真正的热力学控制参数,从而证明了随机热力学中的光机械手性耦合的意义。
2020-12-21 cond-mat.stat-mech physics.optics quant-ph
Enhanced optomechanical coupling between an optically levitated particle and an ultrahigh Q optical microcavity
提出一种结合光学镊子与超高Q环形微腔的平台,通过近场耦合实现单光子光机械耦合50倍增强,为悬浮介观粒子的量子实验铺路。
2024-10-21 physics.optics
Optomechanical Kerker effect
可调谐定向散射对于天线的操作、光的路由以及拓扑保护光学状态的设计是至关重要的。对于散射在纳米颗粒上的可见光,方向性可以由Kerker效应提供,利用电和磁偶极子发射图案的干涉。然而,亚100纳米小粒子中的磁光共振相对较弱。在这里,我们预测的非弹性散射与意想不到的强大的可调方向性高达5.25驱动的小粒子的颤抖,没有任何磁共振。所提出的光机Kerker效应源于振动诱导的多极转换。我们还提出了一种光机自旋霍尔效应,即非弹性极化相关的定向散射。我们的研究结果揭示了光与机械运动之间相互作用的内在多极性质。它们适用于从冷原子到二维材料再到超导量子比特的各种系统,并且可以指导手性光机械耦合工程。
2018-07-15 cond-mat.mes-hall physics.optics
Nonreciprocal Coupling Induced Non-Hermitian Entanglement in Optomechanical Systems
Northeast Normal University(东北师范大学);University of Science and Technology of China(中国科学技术大学);RIKEN Center for Quantum Computing (RQC)(理化学研究所量子计算中心);Shangrao Normal University(上饶师范学院)
本文研究非厄米光机械系统中奇异点对纠缠的增强作用,并通过旋转谐振器实现经典与量子非互易性的切换。
2026-10-05 physics.optics
Stationary Gaussian Entanglement between Levitated Nanoparticles
光子的相干散射是一种新颖的光学悬浮纳米粒子的光机械耦合机制,有望实现与光以及纳米粒子之间的强而多样的相互作用。我们表明,它允许有效的确定性产生的高斯纠缠在两个粒子在单独的镊子。红色和蓝色失谐镊子的组合将机械Bogoliubov模式带到其基态。额外的分散耦合腔模式可以减少正交模式中的噪声,从而产生强纠缠,如对数负性所量化的,并且可以用真实实验参数的Duan标准来验证。这种用于量子传感和量子模拟的重要资源对于当前的实验是关键的,并且向量子机制中的多粒子光力学迈出了重要的一步。
2020-12-22 physics.optics quant-ph
Squeezed light from a levitated nanoparticle at room temperature
力学系统的量子测量可以通过有质动力产生光压缩。它的观测需要高度的环境隔离和有效的检测,通常通过使用光学腔和低温冷却来实现。在这里,我们实现了这些条件,通过测量在室温下的光学悬浮纳米粒子的位置,没有开销的光学腔。我们使用一个快速的外差检测,同时重建正交光学求积,并观察$9\%\pm0.5\%$的噪声降低低于散粒噪声。我们的实验为挤压光增强传感提供了一种新颖的无腔平台。同时,它描绘了一个清晰而简单的策略,以观察平稳的光机纠缠。
2022-02-21 physics.optics quant-ph
Resonances in dissipative optomechanics with nanoparticles: Sorting, speed rectification and transverse cooling
电介质粒子与激光驱动的光腔之间的相互作用产生了保守动力学和耗散动力学,可以用来悬浮、捕获和冷却纳米粒子。我们分析和数值研究的双模设置中,沿腔轴的光势取消,使所产生的动力学几乎是纯粹的耗散。对于激光驱动器的适当失谐,这种耗散的光机械动力学可以用于根据颗粒的尺寸对颗粒进行分类,以矫正它们的速度并增强横向冷却。
2013-03-11 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Self-trapped nanoparticle binding via waveguide mode
在本文中,我们研究了一个稳定的光学机械系统的基础上的纳米颗粒链耦合到波导模式。在平面波激励下,纳米粒子通过横向束缚效应沿波导方向形成稳定的自组织周期链阵列。我们表明,由于纳米颗粒之间的长程相互作用的链中的每个纳米颗粒的捕获潜力与系统的大小线性增加,使长链的形成更有利。我们建议,这种效果可以观察到一个光学晶体,这是一个多功能的平台,实现原子和纳米粒子的光学结合。我们的计算表明,两个纳米粒子的结合能是在$9\div13~kT$的范围内达到100 $kT$的值时,链的大小增加到20纳米粒子,使得潜在的实验观察的效果是可能的。我们还提出了两个反向传播的平面波激发的几何形状,这将允许捕获纳米颗粒靠近光学介质,提供纳米颗粒和光学介质之间的有效相互作用。
2019-05-30 cond-mat.mes-hall physics.optics
Interference-enhanced optical force detection of weak light fields using a levitated nanoparticle
本研究提出一种基于干涉的方法,通过让弱光场与光镊的强捕获光束干涉来放大弱场对纳米粒子的光力,在适度真空下实现皮瓦级灵敏度的非破坏性光场检测,并有望用于单光子水平的光机械相互作用探索。
2025-07-17 physics.optics quant-ph
Wavefront Shaping of Scattering Forces Enhances Optical Trapping of Levitated Nanoparticles
研究提出通过波前整形光场来增强悬浮纳米颗粒的光学陷阱刚度,在不增加光强的情况下选择性降低非保守力并保留保守恢复力,从而提升低压稳定性,为减少量子反作用和热退相干提供了新方法。
2025-04-29 physics.optics
Non-Hermitian dynamics and nonreciprocity of optically coupled nanoparticles
本研究利用可调非互易光学相互作用,研究两个悬浮纳米粒子的集体非厄米动力学,观察到宇称-时间对称性破缺和机械激射转变,开辟了非平衡多粒子集体效应研究新途径。
2023-10-30 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Injection locking of a levitated optomechanical oscillator for precision force sensing
我们报告的光学悬浮纳米机械振荡器(二氧化硅纳米球)的注入锁定到外部光信号的共振强度调制。我们探讨了注入锁定在该系统中的特性,如相位拉入效应和注入引起的振荡线宽的减小。我们的测量结果与理论预测吻合得很好,并加深了悬浮光学机械系统中的注入锁定与光学系统(激光器)中的注入锁定的类比。通过测量反馈冷却自激振荡器的力噪声,我们获得了$\sim23~\rm{zN}/\sqrt{\rm{Hz}}$的力灵敏度。这可以很容易地允许,在相当短的积分时间内,测试违反牛顿引力和寻找新的小尺度力。作为一个概念的证明,我们表明,注入锁定可以用来测量悬浮的纳米粒子上的光诱导的力,在探索光学耦合纳米机械振荡器之间的光学绑定和纠缠的潜在应用。
2020-12-22 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Cavity optomechanical liquid level meter using a twin-microbottle resonator
本文提出一种基于双微瓶谐振腔的腔光力液位计,通过部分浸水并保持高光学品质因数,实现对液位的高灵敏度测量,分辨率达2.6±0.9 pm,可用于探测气-液和液-液界面微小波动。
2024-01-23 physics.app-ph physics.optics
Scalable all-optical cold damping of levitated nanoparticles
悬浮动力学领域在控制和研究悬浮纳米颗粒的运动方面取得了重大进展。运动控制依赖于经由腔的自主反馈或经由外力的基于测量的反馈。基于测量的单个纳米颗粒的基态冷却的最近演示采用线速度反馈,也称为冷阻尼,并且需要经由外部电极在带电粒子上使用静电力。在这里,我们介绍了一种新的全光冷阻尼方案的基础上的陷阱位置的空间调制,可扩展到多个粒子。该方案依赖于使用可编程的光镊,以提供完全独立的控制陷阱频率和每个镊子的位置。我们表明,该技术冷却的质量中心运动的粒子下降到$17\,$ mK在压力为$2 \times 10^{-6}\,$毫巴,并证明其可扩展性,同时冷却两个粒子的运动。我们的工作为研究粒子之间的量子相互作用铺平了道路,实现了粒子运动的3D量子控制,而无需基于腔的冷却,电极或带电粒子,并探测悬浮光机械系统中的多体纠缠。
2022-05-09 physics.optics quant-ph
Motional Quantum Ground State of a Levitated Nanoparticle from Room Temperature
我们报道了室温下悬浮纳米粒子的量子基态冷却。使用相干散射到光学腔中,我们将$143$ nm直径的二氧化硅颗粒的质心运动冷却超过$7$数量级到沿腔轴的$n_x=0.43\pm0.03$声子,对应于$12~μ$ K的温度。我们推断的加热速率为$Γ_x/2π= 21\pm 3$ kHz,这将导致$7.6~μ$ s的相干时间-或$15$相干振荡-而粒子在$10^{-6}$ mbar的压力下被光学捕获。推断出的$g_x/2π= 71$ kHz的光机耦合率将系统很好地置于强协同性($C \approx 5$)的范围内。我们预计,超高真空与自由落体动力学的结合将使这种纳米粒子的时空相干性进一步扩大几个数量级,从而为宏观量子实验开辟新的机会。
2019-11-22 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Dynamics of particles trapped by dissipative solitons
能够最终控制其3D运动的纳米颗粒的光学机械操纵是当今光学、生物学、医学、微流体等之间最需要的联系之一,为从药物输送到活细胞,再到纳米纤维的新方法等众多新兴应用铺平了道路。在这封信中,我们提供了一种新型的光学操纵驱动的非线性效应和铺设之间的经典光学力学和非线性光学的接口。从理论上研究了光耗散孤立波与纳米介质相互作用的形成、稳定性和动力学性质。建立了描述光场和粒子相互作用的数学模型,得到了局域光波与纳米粒子相互作用的定态解,并研究了其分岔现象。结果表明,孤立波的线性稳定性受到粒子的影响,但在参数空间中存在孤立波保持稳定的区域。研究了在非均匀泵浦作用下含纳米粒子的孤立波的动力学行为。
2019-09-02 nlin.PS physics.optics
Rotational cavity optomechanics
本文研究旋转纳米粒子与携带轨道角动量的光学腔模的光力相互作用,提出利用两个简并拉盖尔-高斯腔模形成的弱角向晶格探测粒子旋转频率,并证明线性响应下可实现精确测量。
2015-04-03 physics.optics
Oligonucleotide selective detection by levitated optomechanics
本研究利用悬浮光机械平台,通过功能化二氧化硅纳米颗粒检测寡核苷酸,结合洛伦兹拟合、降维和随机森林分析,实现了选择性识别。
2025-10-16 physics.optics q-bio.QM quant-ph
Optical forces in nanorod metamaterial
用激光束对微米和纳米尺度物体进行光机械操纵在大跨度的多学科应用中得到了应用。辅助纳米结构可以通过空间定位物体和捕获所需的强度来显著改善经典光镊的性能。在这里,我们研究了一个三维纳米棒超材料平台,作为光学操作的辅助工具,能够支持和控制近场相互作用,并产生陡峭和平坦的光学势分布。结果表明,从椭圆到双曲色散制度的超材料的“拓扑过渡”,通常具有显着的影响各种光-物质相互作用过程,并没有强烈影响的超材料中的光学力的分布。这种效果是由占主导地位的近场贡献的纳米结构的光机相互作用。半解析模型,近似的有限尺寸的纳米粒子的一个点偶极子和忽略之间的相互再散射的颗粒和纳米棒阵列,被发现是在一个很好的协议与全波数值模拟。发现了作用于超材料内部或附近的粒子的面内(垂直于棒)捕获机制、鞍形平衡点和光脉冲力(沿棒指向激发光源).辅助超材料用于光学操纵,为柔性纳米机械控制提供了额外的自由度,可以应用于各种跨学科的应用.
2015-06-05 physics.optics
Modeling Realistic Dynamics of Nanoparticle Dimers for Magneto-Optical Matter
本文提出基于Langevin动力学和真实碰撞的通用数值框架,研究静态磁场调控下n掺杂InSb纳米颗粒二聚体的动态光学结合,证明磁光共振下二聚体可在碰撞存在时稳定结合。
2025-03-10 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Mechanical squeezing via unstable dynamics in a microcavity
我们从理论上证明了在远红失谐和超强耦合区,线性光机系统中的强力学量子压缩可以通过动力学不稳定性迅速产生.我们表明,这种机制,利用不稳定的多模量子动力学,特别适合悬浮光学力学,我们认为它的可行性的情况下,悬浮纳米粒子耦合到微腔通过相干散射。我们预测,对于亚毫米大小的空腔的粒子运动,最初的热和远高于其基态,成为机械压缩几十分贝的微秒时间尺度上。我们的研究结果带来了光学微腔在未解决的边带制度作为强大的机械挤压悬浮纳米粒子,因此作为量子增强的惯性和力传感的关键工具。
2022-04-06 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Optomechanics with Levitated Particles
光学机械学是关于用光来控制机械物体的。作为一个领域,它在生产精确和新颖的传感器,开发低耗散纳米机械设备以及操纵量子信号方面取得了巨大成功。悬浮在光场中的微米和纳米颗粒充当纳米级振荡器,使其成为优异的低耗散光机械对象,在真空中操作时与环境的热接触最小。悬浮光力学被认为是研究大质量量子物理学最有前途的途径,有望在$10^6$ amu及以上的质量上产生宏观分离的叠加态。使用主动监测或与光学腔的被动相互作用的光学反馈可以用于将悬浮纳米颗粒的质心冷却到远低于1 mK,为量子机制中的操作铺平道路。此外,被捕获的介观粒子是研究纳米级随机过程的范例系统,并且已经在最先进的力传感中证明了它们的实用性。
2020-01-22 physics.optics
Long-range optical trapping and binding of microparticles in hollow-core photonic crystal fibre
光学悬浮的微米和纳米粒子为研究宏观距离上的光子-声子相互作用提供了一个理想的场所。在这里,我们报告的观察远程光学绑定的多个微粒,介导的模间散射和干涉内的空芯光子晶体光纤(HC-PCF)的抽真空的核心。三个直径为1 μm的聚苯乙烯颗粒稳定地结合在一起,颗粒间距离约为40 μm,或比捕获激光波长长50倍。被束缚的粒子阵列可以沿着纤维来回移动超过厘米的距离。当抽真空到6 mbar气压时,可以观察到束缚粒子阵列的集体力学模式。所测得的粒子间的平衡和机械本征频率的距离支持一种新的分析形式主义建模的结合过程的动态。HC-PCF系统提供了一个独特的平台,用于在隔离良好和受保护的环境中研究悬浮粒子阵列的丰富光机械动力学。
2017-09-12 physics.optics