Effiziente Quantenkontrolle und Levitation eines Nanopartikels mithilfe einer neuartigen nanophotonischen Schnittstelle

• Antragsteller: Professor Dr. Sungkun Hong
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523178467

Die Quantenoptomechanik ist ein herausragendes Gebiet der Quantenwissenschaft, das darauf abzielt, die Bewegung mechanischer Objekte auf Quantenebene durch Licht-Materie-Wechselwirkung zu steuern. Es bietet aufregende Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Quantentechnologien und die Erforschung der Quantenphysik auf neuen Massen- und Längenskalen. Dielektrische mesoskopische Partikel in optischen Pinzetten haben sich kürzlich zu einem hervorragenden optomechanischen System mit einzigartigen Eigenschaften entwickelt, das eine neue Ebene der Quantenforschung ermöglichen könnte. Das Gebiet, das als schwebende Optomechanik oder Levitodynamik bezeichnet wird, hat sich schnell weiterentwickelt, um in das Quantenregime einzutreten, um die Bewegung von Teilchen zu kontrollieren. Experimente mit konventionellen optischen Pinzetten und Kavitäten brachten jedoch aufgrund mehrerer offener Probleme, einschließlich begrenzter Quantenkontrolleffizienz und Instabilitäten, die sich aus optischer Erwärmung ergeben, keine weiteren Durchbrüche. Die vorgeschlagene Forschung zielt darauf ab, eine neuartige nanophotonische Plattform zu entwickeln, um Quantenexperimente zur Bewegung eines schwebenden Teilchens durchzuführen. Das vorgeschlagene System umfasst hochqualitative photonische Kristall-Nanostrahl-Hohlräume aus Siliziumnitrid und koppelnde Wellenleiter, die alle auf einem einzigen Chip hergestellt sind. Erstens sorgen die Nanostrahl-Hohlräume für eine deutlich verbesserte optomechanische Kopplung mit dem Partikel. Es ermöglicht somit das Erreichen einer Quantenkooperativität von über 50, eine Größenordnung größer als zuvor bei schwebenden Teilchensystemen berichtet. Mit dem entwickelten System werden wir ein messtechnisches Kühlexperiment zur Bewegung des Partikels durchführen. Die verbleibende Quantenfluktuation des Teilchens soll unter 0,1 Bewegungsquanten liegen, also um einen Faktor vier geringer als bisher mit schwebenden Nanopartikeln erreicht. Die starke optomechanische Kopplung wird es uns auch ermöglichen, eine neuartige optische Falle basierend auf selbstinduzierter optomechanischer Rückkopplung zu konstruieren. Wir werden es experimentell realisieren, indem wir zwei eng parallele Nanostrahlkavitäten verwenden. Die neue Falle wird es uns ermöglichen, ein Teilchen mit deutlich reduzierter optischer Erwärmung schweben zu lassen, was die Einfangstabilität und -kohärenz des Teilchens dramatisch verbessert. Die außergewöhnlichen Eigenschaften des vorgeschlagenen Schwebe- und Kontrollsystems bieten einzigartige Möglichkeiten, um herausragende Quantenexperimente auf der Grundlage schwebender Teilchen zu realisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Kooperationspartner: Dr. Simon Groeblacher