Universitätsbibliothek Wien

Quantum opto-mechanics with micromirrors

Gröblacher, Simon (2010) Quantum opto-mechanics with micromirrors.
Dissertation, Universität Wien. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Zeilinger, Anton

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30011.31261.286365-8
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Abstract in Englisch

This work describes more than four years of research on the effects of the radiation-pressure force of light on macroscopic mechanical structures. The basic system studied here is a mechanical oscillator that is highly reflective and part of an optical resonator. It interacts with the optical cavity mode via the radiation-pressure force. Both the dynamics of the mechanical oscillation and the properties of the light field are modified through this interaction. In our experiments we use quantum optical tools (such as homodyning and down-conversion) with the goal of ultimately showing quantum behavior of the mechanical center of mass motion. In this thesis we present several experiments that pave the way towards this goal and when combined should allow the demonstration of the envisioned quantum phenomena, including entanglement, teleportation and Schr\"odinger cat states. The study of quantum behavior of truly macroscopic systems is a long outstanding goal, which will help to answer some of the most fundamental questions in quantum physics today: Why is the world around us classical and not quantum? Is there a size- or mass-limit to systems for them to behave according to quantum mechanics? Is quantum theory complete or do we have to extend it to include mechanisms such as decoherence? Can we use the quantum nature of macroscopic objects to, for example, improve the measurement precision of classical apparatuses? The experiments discussed in this thesis include the very first passive radiation-pressure cooling of a mechanical oscillator in a cryogenic optical resonator, as well as the experimental demonstration of radiation-pressure cooling close to the mechanical quantum ground state. Cooling of the mechanical motion is an important pre-condition for observing quantum effects of the mechanical oscillator. In another experiment, we have demonstrated that we are able to enter the strong-coupling regime of the optomechanical system a regime where coherent energy exchange between the optical and the mechanical subsystems is possible, as their coupling rate is bigger than their individual decoherence rates. This experiment is an important milestone in showing macroscopic mechanical quantum behavior. Finally, we have performed an experiment where we have measured the optomechanical correlations. The correlations are used for probing radiation-pressure based down-conversion and such an experiment will ultimately allow the generation and detection of entanglement between the optical and the mechanical system.

Schlagwörter in Englisch

Quantum opto-mechanics / quantum mechanics / quantum optics / microfabrication / entanglement / cavity opto-mechanic / quantum physics / experimental physics

Abstract in Deutsch

Diese Arbeit beschreibt mehr als vier Jahre an Forschung über die Effekte von Strahlungsdruck von Licht auf makroskopische, mechanische Strukturen. Das System das hier erforscht wird ist ein mechanischer Oszillator der gleichzeitig ein hochreflektierender Spiegel ist und als Teil eines optischen Resonators verwendet wird. Die mechanische Struktur wechselwirkt mit der optischen Mode in der Kavität über die Strahlungsdruckkraft des Lichtes. Sowohl die Dynamik der mechanischen Oszillation als auch die Eigenschaften des Lichtes werden durch diese Wechselwirkung beeinflusst. In unseren Experimenten verwenden wir Werkzeuge der Quantenoptik (wie Homodyndetektion und parametrische Fluoreszenz (= down-conversion)) mit dem Ziel Quantenverhalten der mechanischen Schwerpunktsbewegung zu zeigen. In dieser Dissertation präsentieren wir mehrere Experimente die den Weg zu diesem Ziel ebnen und, wenn gemeinsam durchgeführt, zu der gewünschten Demonstration der makroskopischen, mechanischen Quantenphänomene führen sollten, wie Verschränkung, Teleportation und nicht-klassische Zustände (Stichwort ``Schrödingers Katze''). Das Studium des Quantenverhaltens von makroskopischen Systemen ist ein seit langer Zeit verfolgtes Ziel welches dabei helfen wird einige der zentralen offenen Fragen der modernen Quantenphysik zu beantworten: Warum ist die Welt wie wir sie wahrnehmen klassisch und nicht quantenmechanisch? Gibt es eine Beschränkung in der Größe oder der Masse für Objekte oberhalb der sie sich nicht mehr nach den Gesetzen der Quantenmechanik verhalten können? Ist die Quantentheorie vollständig oder müssen wir sie mit einem Mechanismus wie der Dekohärenz erweitern? Können wir die Quantennatur von makroskopischen Objekten nutzen um zum Beispiel die Messgenauigkeit von klassischen Apparaten zu verbessern? Die Experimente die in dieser Arbeit diskutiert werden inkludieren das erste passive Kühlen eines mechanischen Oszillators mit Hilfe von Strahlunsgdruck in einem kryogenen optischen Resonator überhaupt. Weiters konnten wir ein Experiment durchführen in welchem wir die mechanische Struktur in die Nähe ihres quantenmechanischen Grundzustandes gekühlt haben. Das Kühlen der mechanischen Bewegung ist eine wichtige Voraussetzung um Quantenphänome des mechanischen Oszillators zu beobachten. In einem anderen Experiment haben wir gezeigt, dass wir im Bereich der starken Wechselwirkung des opto-mechanischen Systems arbeiten können. In diesem Bereich ist ein kohärenter Energieaustausch zwischen dem optischen und dem mechanischen System möglich da ihre Wechselwirkungsrate größer ist als ihre individuellen Dekohärenzraten. Dieses Experiment ist ein wichtiger Meilenstein um makroskopisches, mechanisches Quantenverhalten zu zeigen. Zuletzt haben wir in einem Experiment die opto-mechanischen Korrelationen gemessen. Mit Hilfe dieser Korrelationen kann man die aufgrund des Strahlungsdruckes auftretende parametrische Fluoreszenz untersuchen. Dieses Experiment ist so konzipiert, dass man damit in Zukunft Verschränkung zwischen dem optischen und dem mechanischen System sowohl erzeugen, als auch auslesen wird können.

Schlagwörter in Deutsch

Quantenoptomechanik / Quantenmechanik / Quantenoptik / Mikrofabrikation / Verschränkung / Cavity Optomechanik / Quantenphysik / Experimentalphysik

Dokumentenart: Hochschulschrift (Dissertation)
AutorIn: Gröblacher, Simon
Titel: Quantum opto-mechanics with micromirrors
Untertitel: combining nano-mechanics with quantum optics
Umfangsangabe: 144 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Physik
Publikationsjahr: 2010
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Zeilinger, Anton
BeurteilerIn: Verstraete, Frank
2. BeurteilerIn: Painter, Oskar
Klassifikation: 33 Physik > 33.23 Quantenphysik
33 Physik > 33.18 Optik
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
33 Physik > 33.11 Mechanik
AC-Nummer: AC08406534
Dokumenten-ID: 12892
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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