A levitated nanoparticle as a classical two-level atom
单个光学悬浮纳米粒子的质心运动类似于三个非耦合谐振子。我们展示了如何一个合适的调制的光阱势可以引起两个这些振荡器之间的耦合,使他们的动力学是由一个经典的运动方程,类似于薛定谔方程的二能级系统。基于实验数据,我们说明了这个参数耦合系统的动力学在频域和时域。我们讨论的局限性和差异的力学模拟相比,一个真正的量子力学系统。
2017-04-07 physics.optics quant-ph
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
Theory for Cavity Cooling of Levitated Nanoparticles via Coherent Scattering: Master Equation Approach
我们发展了一个理论,通过相干散射到一个光学腔的悬浮纳米粒子的质心运动的腔冷却。我们分析确定的纳米粒子,腔,和自由电磁场的完全耦合的哈密顿量。通过追踪后者,我们得到了腔和质心运动的主方程,其中归因于反冲加热,气体压力和陷阱位移噪声的退相干率被明确计算。然后,我们基准我们的模型复制发表的三维冷却实验结果。最后,我们用我们的模型来证明基态冷却沿三个运动轴的可能性。我们的工作说明了腔辅助相干散射达到悬浮纳米力学的量子制度的潜力。
2019-02-04 physics.optics quant-ph
Feedback-induced Bistability of an Optically Levitated Nanoparticle: A Fokker-Planck Treatment
光学悬浮纳米粒子最近已成为研究宏观量子力学和实现超灵敏计量学的通用平台。在这篇文章中,我们从理论上考虑两个阻尼制度的光悬浮纳米粒子冷却无腔参数反馈。我们的处理是基于一个广义的Fokker-Planck方程,它是从最近提出的量子主方程导出的,并且与实验[1]非常吻合。对于低阻尼,我们发现所得的维格纳函数产生单峰振子位置分布,并恢复了先前使用经典理论推导并通过实验验证的适当能量分布[2]。对于高阻尼,相比之下,我们预测一个双峰位置分布,我们跟踪到一个潜在的反馈引起的双稳态。与基于腔的光学力学不同,随机过程在确定光致伸缩行为中起主要作用。为了支持我们的结论,我们提出了解析表达式,以及使用截断维格纳函数的方法进行数值模拟。我们的工作开辟了前景,开发基于双稳态的设备,相空间动力学的表征,并使用悬浮纳米粒子的量子经典跃迁的调查。
2016-04-25 physics.optics quant-ph
Force sensing with an optically levitated charged nanoparticle
悬浮光学机械显示出精确力测量的潜力。在这里,我们报告一个案例研究,实验表明这种力传感器的能力。使用电场作为工具来检测施加到悬浮纳米球上的库仑力。我们实验观察到的空间位移高达6.6 nm的悬浮纳米球施加直流电场。我们进一步施加AC场,并证明当驱动频率$ω_{AC}$和悬浮机械振荡器的频率$ω_0$收敛时,力感测的共振增强。我们直接测量力为$3.0 \pm 1.5 \times 10^{-20}$ N,积分时间为10秒,质心温度为3 K,压力为$1.6 \times 10^{-5}$ mbar。
2017-09-11 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
Resolved Sideband Cooling of a Levitated Nanoparticle in the Presence of Laser Phase Noise
我们研究了在高精细度腔中冷却悬浮纳米粒子质心运动的背景下,激光相位噪声加热对分辨边带冷却的影响。虽然相位噪声加热不是一个基本的物理约束,它成为Levitodynamics中的主要限制的制度迄今尚未探索,因此体现了从这一点向前的主要障碍,在达到运动基态的悬浮介观物体与解决边带冷却。我们在$p = 3\times 10^{-7}$ mbar的压力下达到与$T_{min}=10$ mK相当的最小质心温度,仅受相位噪声的限制。最后,我们提出了可能的战略走向运动基态冷却的相位噪声的存在。
2019-10-10 physics.optics quant-ph
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
Achievability of Quantum Regime in Optomechanics of Electromagnetically Levitated Nanoparticles: Inclusion of Gradient Force Fluctuations
与直觉相反的是,实验表明,当环境压力降低到一定水平以下时,即使粒子的运动被基于谐振器或基于反馈的机制冷却,电磁悬浮粒子也会从陷阱中逃脱。在这里,我们从理论上表明,环境压力必须保持远高于临界值所产生的梯度力波动(即,电磁力的一部分的波动,其哈密顿量在粒子的位置上是二次的)。此外,我们考虑其他力的波动,并确定不同的实现反馈冷却是否能够达到基态。在一些实现中,冷却速率必须保持远低于由反馈引起的梯度力波动引起的临界值。
2019-05-06 physics.optics quant-ph
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
Trap-to-trap free falls with an optically levitated nanoparticle
本文利用可快速开关和垂直移动的光镊,实现了电荷中性纳米粒子的自由下落与再捕获,观测到位置不确定度增大近两百倍,并提出通过线性反馈和超高真空实现毫秒级自由下落,以推动悬浮物体的大尺度离域化研究。
2025-07-17 physics.optics quant-ph
Cold damping of levitated optically coupled nanoparticles
研究展示了对光结合力耦合的一对纳米粒子的简正模进行独立或同时冷阻尼,使其在5x10^{-3} mbar下降至亚开尔文温度,为介观量子相互作用和多粒子纠缠研究开辟了道路。
2023-05-19 physics.optics quant-ph
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
Optimization of Static Potentials for Large Delocalization and Non-Gaussian Quantum Dynamics of Levitated Nanoparticles Under Decoherence
本文提出一种优化方法,通过考虑位置相关噪声源确定悬浮纳米粒子的最优静态势,以生成大退局域和非高斯量子态,并引入相干长度与相干立方性作为特征指标,经四次势验证及全量子动力学模拟基准测试证明其有效性。
2024-06-28 quant-ph
Cavity-Based 3D Cooling of a Levitated Nanoparticle via Coherent Scattering
我们实验实现了真空中悬浮纳米粒子的所有三个平移运动度的腔冷却。该粒子被一个与腔无关的光镊捕获,相干散射光镊光进入蓝失谐腔模。对于周围的真空压力$10^{-5}\,{\rm mbar}$,沿腔轴的最低温度在mK制度进行观察。同时,沿着其他两个空间方向的质心(COM)运动被冷却到几百个$\rm mK$的最低温度。通过测量压力变化时的温度和阻尼率,我们发现冷却效率依赖于腔内驻波中粒子的位置。该数据和COM温度作为腔失谐和镊子功率的函数的行为与实验的理论分析是一致的。我们的方法的实验限制和机会进行了概述。
2019-04-01 physics.optics quant-ph
Revealing the velocity uncertainties of a levitated particle in the quantum ground state
研究通过飞行时间测量揭示了超冷悬浮纳米颗粒在量子基态下的速度分布,发现摆动运动会导致速度展宽,反馈冷却后宽度约为量子极限的两倍,为探索其量子力学性质奠定基础。
2023-08-03 physics.optics quant-ph
Interaction Between an Optically Levitated Nanoparticle and Its Thermal Image: Internal Thermometry via Displacement Sensing
我们提出并从理论上分析了一个实验,其中在表面前的光悬浮纳米颗粒的位移传感可以用来测量纳米颗粒和其热图像之间的诱导偶极-偶极相互作用。这是通过使用对捕获光透明但对红外辐射反射的表面来实现的,其反射率可以被时间调制。这种偶极-偶极相互作用依赖于由二氧化硅纳米颗粒发射的热辐射,其具有足够的时间相干性以使反射的辐射与偶极的热波动相关。所产生的力比热梯度力强几个数量级,并且对于大于两微米的颗粒到表面的距离,它强烈地取决于纳米颗粒的内部温度。我们认为,使用表面前悬浮纳米颗粒的位移传感作为内部温度计在实验上是可行的。实验访问的内部物理的悬浮纳米粒子在真空中是至关重要的理解的限制,退相干造成目前的努力致力于制备纳米粒子在宏观量子叠加态。
2023-02-10 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
Large Quantum Delocalization of a Levitated Nanoparticle using Optimal Control: Applications for Force Sensing and Entangling via Weak Forces
我们提出了最佳控制的谐振势的悬浮纳米粒子量子离域的质心运动状态的长度尺度的数量级大于量子零点运动。使用对谐波势的砰砰控制,包括反转它的可能性,初始基态冷却的悬浮纳米粒子相干地膨胀到大尺度,然后以时间最优的方式收缩到初始状态。我们表明,这种快速循环协议可用于增强力传感,以及显着提高两个弱相互作用的纳米粒子的纠缠率。我们参数化的协议的性能,因此可以探索的宏观量子制度,作为纳米粒子的质心运动的位移和频率噪声的函数。这种噪声分析占当前实验相关的退相干的来源。
2021-07-28 quant-ph
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
Optical and electrical feedback cooling of a silica nanoparticle levitated in a Paul trap
在保罗陷阱中的带电介电纳米粒子的所有三种运动模式都通过直接反馈冷却到几mK的温度。我们测试了两种方法,一种是基于电力和其他光学部队;对于这两种方法,我们发现类似的冷却效率。冷却的特征在于两个反馈力作为反馈参数,背景压力,和粒子的位置的函数。
2021-03-26 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Real-Time Kalman Filter: Cooling of an Optically Levitated Nanoparticle
我们证明,卡尔曼滤波器应用于估计的位置的光学悬浮的纳米粒子,并在现场可编程门阵列(FPGA)内实时操作,是足以执行闭环参数反馈冷却的中心的质量运动到亚开尔文温度。沿着被捕获的纳米颗粒的光轴的平移质心运动已经被冷却了三个数量级,从300 K的温度到162 +/-15 mK的温度。
2018-04-13 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Three-Dimensional and Selective Displacement Sensing of a Levitated Nanoparticle via Spatial Mode Decomposition
School of Mathematical and Physical Sciences, Macquarie University(麦考瑞大学数学与物理科学学院);ARC Centre for Engineered Quantum Systems (EQUS), Macquarie University(麦考瑞大学ARC工程量子系统中心);Sydney Quantum Academy(悉尼量子学院);School of Physics, The University of Sydney(悉尼大学物理学院)
本文提出了一种新的检测方法,通过空间模式排序显著提高了悬浮二极散射体三维位移的实时测量精度,该方法能够最小化损耗地选择性提取所有平移自由度的位置信息。
2026-05-17 physics.optics quant-ph
5D cooling and nonlinear dynamics of an optically levitated nanodumbbell
真空中的光悬浮非球形粒子是扭矩传感、旋转量子力学、高频引力波探测和多种其他应用的优秀候选者。许多潜在的应用,如检测Casimir扭矩附近的双折射表面,需要同时冷却的质心运动和扭转振动(或旋转)的非球形纳米粒子。在这里,我们报告了悬浮纳米颗粒的第一个5D冷却。我们在线偏振激光器中同时冷却了悬浮纳米钟的3个质心运动模和2个扭转振动模。唯一未冷却的刚体自由度是纳米哑铃绕其长轴的旋转。这种自由旋转模式不直接耦合到光镊。令人惊讶的是,我们观察到它强烈影响纳米钟的扭转振动。这项工作加深了我们对悬浮纳米粒子的非线性动力学和旋转耦合的理解,并为实现其运动的完全量子控制铺平了道路。
2020-04-06 physics.optics quant-ph
Nanoparticle arrays levitated in a cavity for quantum sensing
University College London(伦敦大学学院)
研究悬浮纳米粒子阵列的集体运动谱特性,发现机械模式梳在力传感中比传统集体亮模式更具优势,并具备自我修复损耗的能力。
2026-10-20 physics.optics quant-ph
Sympathetic cooling and squeezing of two co-levitated nanoparticles
该研究在Paul阱中实现两个库仑耦合带电二氧化硅纳米颗粒的协同冷却与协同压缩,为纳米颗粒阵列的冷却、操控及高灵敏传感提供协议。
2022-11-08 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Imaging the dipole scattering of an optically levitated dielectric nanoparticle
我们使用高数值孔径(NA)成像系统实验观察纳米粒子的偶极子散射。光学悬浮的纳米颗粒提供了没有颗粒-基底相互作用的环境。我们照射的二氧化硅纳米粒子在真空中与532 nm的激光束正交的1064 nm的捕获激光束的传播方向强烈聚焦的相同的高NA物镜用于收集散射,这导致在黑暗的背景和高的信噪比。通过测量当我们旋转照射光偏振时在图像和傅立叶空间(k-空间)中的散射光分布来研究入射激光的线偏振引起的纳米颗粒的偶极子取向。当纳米粒子的偶极取向沿显微镜物镜的光轴对齐时,观察到特殊情况下的偏振涡旋(矢量光束)。我们的工作为研究Kerker条件下的散射各向异性提供了一个重要的平台。
2021-07-11 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Entangling levitated nanoparticles by coherent scattering
我们展示了如何在两个光悬浮纳米粒子之间的纠缠可以产生和检测到的相干散射的镊子光子到一个单一的腔模式。由探测到的斯托克斯光子触发,镊子失谐从蓝色切换到红色;纠缠然后由条件反斯托克斯光子通量验证,它与机械拍频振荡。所提出的设置是可实现的与不久的将来的技术,并打开了大门,第一次实验观察两个或多个悬浮纳米级物体之间的非经典质心的相关性。
2020-01-16 quant-ph
Simultaneous ground-state cooling of two mechanical modes of a levitated nanoparticle
研究通过相干散射实现悬浮纳米粒子二维基态冷却,避免暗模式效应,将两个质心模式占据数降至0.83和0.81,为全3D基态冷却和高轨道角动量态生成奠定基础。
2022-10-05 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
Single Particle Thermodynamics with Levitated Nanoparticles
本章的目的是作为一个教学介绍光悬浮纳米粒子的动力学与单粒子热力学研究的重点。大部分研究纳米和微米粒子热力学的工作都是在液体中进行的,本章将避免回顾这一令人印象深刻的工作,而是专注于研究纳米粒子悬浮在气体中的热力学。关于最近的文献综述,我们请读者参阅Gieseler & Millen Entropy 20,326(2018)。作者将在本章中讨论相关的量子体系的扩展。
2020-07-15 quant-ph
Tuneable Gaussian entanglement in levitated nanoparticle arrays
光镊捕获的纳米粒子成为研究量子物理基本效应的一个有趣平台。利用空间光调制来塑造光阱势的能力,以及利用相干散射到光腔模式来量子控制它们的运动的能力,使它们易于模拟一系列物理系统和研究大质量物体的量子现象。为了将悬浮纳米粒子的这些能力扩展到量子多体系统,开发可行的策略来直接或通过共同的光学总线耦合和纠缠多个粒子是至关重要的。在这里,我们提出了一个可变的和确定性的计划,产生高斯纠缠的运动稳态的多个悬浮纳米粒子使用相干散射多腔模式。将多个纳米粒子耦合到共同的光学腔模式允许将集体Bogoliubov模式冷却到其量子基态;冷却多个Bogoliubov模式(通过将每个粒子捕获在多个镊子中使得每个镊子将光子散射到单独的腔模式中来实现)去除了大部分热噪声,从而导致纳米粒子之间的强纠缠。我们提出了三个纳米粒子的数值模拟,显示出巨大的tunerance与现实的实验参数产生的纠缠。因此,我们的建议铺平了道路,为先进的量子传感协议和多体量子模拟创造复杂的量子态的多个悬浮纳米粒子。
2022-06-15 quant-ph
All electrical cooling of an optically levitated nanoparticle
本研究实现了用于光学悬浮纳米颗粒三维反馈冷却的全电控制器,基于延迟位置测量的最优策略,可实现亚开尔文温度冷却,模拟显示量子极限探测下可达三维基态冷却与全电量子控制。
2024-02-28 quant-ph
Position measurement of a levitated nanoparticle via interference with its mirror image
用于检测悬浮的纳米颗粒的运动的干涉方法提供了到量子基态的路径,但是这种方法目前受到参考光束和由颗粒散射的偶极场之间的模式失配的限制。在这里,我们展示了一个自干涉的方法来检测粒子的运动,解决了这个问题。保罗陷阱限制在高真空中的带电介电纳米粒子,和镜子回射散射光。我们测量粒子的运动与$1.7\times 10^{-12} \text{m}/\sqrt{\text{Hz}}$的灵敏度,对应于2.1%的检测效率,与0.18的数值孔径。作为该方法的应用,我们通过反馈将粒子冷却到低于使用标准位置测量在相同设置中实现的温度。
2021-12-30 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Quantum electromechanics with levitated nanoparticles
制备和观测纳米粒子的量子态是一项具有挑战性的任务,与量子技术和基础物理实验有着密切的关系。与具有离散跃迁的原子系统相反,纳米颗粒表现出几乎连续的吸收光谱,因此它们的量子动力学不能容易地操纵。在这里,我们证明了带电的纳米尺度的量子可以人为地赋予一个离散的水平结构,通过相干接口与超导量子比特的旋转和平移运动。我们提出了一种脉冲方案,用于产生和读出几个悬浮纳米粒子之间的运动量子叠加和纠缠,为网络化混合量子器件提供了一个全电平台。
2020-05-28 quant-ph
Testing collapse models with levitated nanoparticles: the detection challenge
我们考虑一个纳米粒子悬浮在保罗陷阱在低温真空中,并寻找条件,允许一个严格的非干涉测试的自发崩溃模型。特别是,我们比较不同的可能的技术来检测粒子运动。需要实现的关键条件是极低的残余压力和在超低功率下检测颗粒的能力。我们比较了三种不同的检测方法的基础上分别一个光学腔,光镊和电读出,并为每一个,我们评估的优点,缺点和技术挑战。
2019-03-20 quant-ph
Simultaneous ground-state cooling of six mechanical modes of two levitated nanoparticles
Hunan Normal University(湖南师范大学)
本文通过相干散射机制实现了两个悬摆纳米颗粒六种机械位移模式的同时地面态冷却,展示了耦合结构和冷却机制,并探讨了暗模式对冷却的影响。
2026-04-09 quant-ph
Feedback cooling of a levitated nanoparticle in a radially polarized vector beam trap
University College London(伦敦大学学院);David Potter Institute for Quantum Information and Spacetime, University College London(伦敦大学学院戴维·波特量子信息与时空研究所);Department of Physics and Astronomy, University College London(伦敦大学学院物理与天文学系)
本文演示了径向矢量光束陷阱中二氧化硅纳米粒子的光学悬浮与反馈冷却,实现了毫开尔文温度,为利用结构光抑制悬浮量子光力学中的加热效应奠定了基础。
2026-09-28 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
Fermat's Spiral-Based Characterization of Squeezed Nonlinear Motional States of Levitated Nanoparticle
提出基于费马螺旋的相空间坐标非线性变换方法,消除Duffing型非线性引起的运动态失真,有效表征悬浮纳米粒子的压缩非线性运动态并分离系统动力学影响。
2025-09-18 physics.optics quant-ph
Motional entanglement of remote optically levitated nanoparticles
本文提出通过耦合传输线中纳米粒子的非弹性散射光并导向另一粒子,在远处光镊间实现光学悬浮纳米粒子的运动纠缠,同时降低反冲加热,并在现实条件下可达成瞬态与条件纠缠。
2024-08-26 quant-ph
Matter-wave interferometry using a levitated magnetic nanoparticle
叠加原理是量子力学的奇异预言之一。尽管如此,它已被实验验证使用电子,光子,原子和分子。在这篇文章中,使用$20~$纳米悬浮铁磁FePt纳米粒子,一个奇特的全光自旋极化技术和物质波干涉,我们表明,可以创建一个介观空间薛定谔猫。此外,我们认为,离域波包之间的最大空间分离可以是$25~μm$,是显着大于对象本身。
2020-03-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Cavity cooling of an optically levitated nanoparticle
捕获和操纵单个原子的能力是当前实现量子模拟、量子计算和长距离量子通信的核心。控制较大粒子的运动为量子科学开辟了新的途径,无论是在物质波干涉的背景下研究基本量子现象,还是在量子光力学的背景下新的传感和转换应用。具体而言,已经提出,在高真空中的单个纳米颗粒的腔冷却允许在室温环境中产生运动的量子态以及前所未有的力灵敏度。在这里,我们迈出了进入这一制度的第一步。我们演示了由大约10 e9个原子组成的光学悬浮纳米粒子的腔冷却。粒子被捕获在适度的真空水平的几个毫巴的驻波场的光学腔和冷却通过相干散射到同一腔的模式。我们估计,我们的冷却速率足以用于基态冷却,前提是未来可以实现10 e-7毫巴真空水平下的光学捕获,例如,通过采用附加的主动反馈方案来在三维中稳定光阱。这为新的光-物质界面铺平了道路,使介观力学系统的室温量子实验成为可能。
2013-05-01 physics.optics quant-ph
Quantum squeezing of a levitated nanomechanical oscillator
通过快速改变振荡频率,实验实现了悬浮纳米粒子运动的量子压缩,速度方差降至基态的-4.9 dB,为宏观量子力学研究提供了平台。
2025-04-24 physics.optics quant-ph
Observation of strong and tunable light-induced dipole-dipole interactions between optically levitated nanoparticles
本研究在光学悬浮纳米粒子阵列中观测到强且可调的光诱导偶极-偶极相互作用,其源于光场相位相干性,并可通过偏振控制实现静电耦合,为可编程多体系统奠定基础。
2022-03-10 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Optical levitation of fluorescent silicon carbide nanoparticles in vacuum
本文在真空中稳定光悬浮含单光子发射体的3C型SiC纳米颗粒,验证其荧光保持,并研究低压损失与热退火增强捕获稳定性。
2025-04-25 physics.app-ph physics.optics quant-ph
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
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
Classical and quantum time crystals in a levitated nanoparticle without drive
时间晶体被定义为物质在时间上自发地表现出周期性的相。以往的研究主要集中在周期驱动下的离散量子时间晶体。在这里,我们提出了一个时间晶体模型的基础上悬浮的带电纳米粒子在静态磁场没有驱动。无论是处于热平衡的经典时间晶体,还是处于基态的量子时间晶体,在强磁场或大荷质比极限条件下,都可以出现自旋转动模式。此外,首次定义了\emph{time polycrystal},并自然地出现在该模型中。我们的模型为实现热平衡的时间晶体铺平了道路。
2020-07-22 quant-ph
Ponderomotive squeezing of light by a levitated nanoparticle in free space
机械顺应性元件可以通过与光的相互作用而被设置成运动。反过来,这种光驱动的运动可以引起电磁场中的有质动力相关性。在光机械系统中,腔通常被用来增强这些相关性,直到它们产生光的量子压缩。在自由空间的情况下,没有使用腔,压缩的观察仍然是可能的,但由于相互作用的弱点而具有挑战性,迄今为止还没有报道。在这里,我们测量有质动力压缩状态的光散射的纳米粒子悬浮在自由空间光镊。在约$15$~kHz的带宽内,我们观察到光涨落在真空能级以下减少了高达$25$~\%。我们的研究结果很好地解释了线性偶极子之间的相互作用的纳米粒子和电磁连续。这些有质动力的相关性打开了量子增强传感和计量与悬浮系统,如低于标准量子限制的力测量的大门。
2022-02-18 quant-ph
State Expansion of a Levitated Nanoparticle in a Dark Harmonic Potential
本文通过混合光阱和保罗阱方案,在暗谐波势中实现悬浮纳米粒子的热态空间扩展与再收缩,获得25倍标准差扩展,且无测量反作用,为宏观量子叠加态制备奠定基础。
2023-12-20 quant-ph
Cooling of an optically levitated nanoparticle via measurement-free coherent feedback
本文提出一种无测量的全光学相干反馈方案,通过调节相位与延迟冷却光学悬浮纳米粒子至数百声子,并分析相位噪声限制及迈向运动基态的前景。
2025-07-23 physics.atom-ph quant-ph
Measurement of the motional heating of a levitated nanoparticle by thermal light
我们报告的测量光子感应加热的二氧化硅纳米球悬浮在真空中的热光源形成的超辐射发光二极管。加热的纳米球运动沿三个陷阱轴测量作为气体压力的函数,并为两个颗粒尺寸。加热速率也被比较了低得多的再加热相同的球体悬浮时,由激光。我们发现,测量的陷阱加热率占主导地位的更大的加热率预期从热光子的反冲。
2022-04-21 physics.atom-ph physics.soc-ph quant-ph
Sensing microscopic directional noise baths with an optically cooled and levitated nanoparticle
本研究利用悬浮纳米粒子传感器,通过互相关功率谱检测定向随机微观力,实现无校准的力方向测量,并探讨了向量子领域扩展的可能性。
2023-12-14 physics.optics quant-ph