Universitätsbibliothek Wien

Cavity cooling of silicon nanoparticles in high-vacuum

Asenbaum, Peter (2014) Cavity cooling of silicon nanoparticles in high-vacuum.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Arndt, Markus
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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29273.09255.455770-3

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Abstract in English

Laser cooling has been crucial for the progress of atomic physics throughout the last decades, enabling novel states of matter and high precision interferometry. Nanoparticles, however, cannot be manipulated by these methods due to the lack of individually addressable cyclic transitions. This may be compensated by placing them in a high finesse cavity. Cavity cooling has been successfully applied to single atoms, ions and atomic ensembles. It appears also to be most indispensable for even more complex particles, where direct laser cooling techniques are not applicable. In my thesis I have studied the interaction between nanoparticles and optical cavity fields in high-vacuum. The main goal was to demonstrate cavity cooling of nanoparticles for the first time. I particularly focused on using high-vacuum techniques, launching and manipulating the nanoparticles in the absence of any background gas, because this was still a grand challenge for all groups in the field and it is believed to be a prerequisite for future quantum delocalization experiments. We were able to demonstrate transverse cavity cooling of silicon nanoparticles in transit through a high finesse cavity. Detecting the light scattered by the particles provides detailed insight into their dynamics and the cavity cooling process itself. We developed laser induced particle launching techniques in high-vacuum. The nanoparticles are ejected with forward velocities down to v<1m/s, which enables sufficiently long interaction times for cooling. Most recently, we were able to also explore the launch and dynamics of freely rotating nanoparticles. The absence of any background gas enables rotation rates up to a couple of 10 MHz. With adapted launching methods the rotation rates may fall into a range where aligning and rotational cooling is conceivable. In conclusion I will discuss the implementation of two-mode cavity cooling, which promises to reduce the particle's kinetic energy much further. This is crucial for future quantum coherence experiments with nanoparticles in the mass range between 10^7 and 10^8 amu.

Schlagwörter in Englisch

Laser cooling / Cavity

Abstract in German

In den letzten Jahrzehnten war die Technik der Laserkühlung entscheidend für die Fortschritte in der Atomphysik, wodurch unter anderem neuartige Materiezustände und präzise Interferometrie ermöglicht wurden. Nanoteilchen können hingegen nicht mit diesen Methoden manipuliert werden, da sie keine individuell adressierbaren zyklischen Übergänge besitzen. Dieses Fehlen kann durch einen optischen Resonator hoher Finesse kompensiert werden. Resonator gestützte Laserkühlung konnte erfolgreich auf einzelne Atome, Ionen und Ensembles von Atomen angewendet werden. Jedoch ist diese Technik umso wichtiger für noch komplexere Teilchen, für die direkte Laserkühlmethoden nicht anwendbar sind. Die vorliegende Dissertation untersucht die Wechselwirkung zwischen Nanoteilchen und Lichtfeldern in Resonatoren im Hoch-Vakuum. Das Ziel der Arbeit war es, die durch den Resonator erzeugten Kühlkräfte erstmals auf Nanoteilchen anzuwenden. Dabei wurde besonders darauf Wert gelegt, die Nanoteilchen im Hochvakuum in die Gasphase zu bringen und zu manipulieren ohne dabei Umgebungsgas zu verwenden. Dies stellte bisher eine große Herausforderung in diesem Forschungsgebiet dar und wird voraussichtlich für zukünftige Quanten-Delokalisationsexperimente notwendig sein. Wir demonstrieren die Kühlung der transversalen Bewegung von Silizium Nanoteilchen, während sie sich durch einen Resonator hoher Finesse bewegen. Das detektierte Streulicht ermöglicht einen detaillierten Einblick in die Bewegung des Teilchens und in den Kühlprozess an sich. Um eine ausreichend lange Interaktionszeit der Teilchen mit dem Resonator-Feld zu ermöglichen, wurden laserinduzierte Quellmethoden entwickelt, die Nanoteilchen mit Geschwindigkeiten unter 1m/s im Hochvakuum von einer Oberfläche loslösen. Kürzlich ist es uns gelungen frei rotierende Nanostäbchen zu untersuchen. Dadurch, dass kein dämpfendes Umgebungsgas vorhanden ist, sind Rotationsfrequenzen von mehreren 10 MHz möglich. Adaptierte Quell-Methoden könnten das Ausrichten der Stäbchen und die Kühlung der Rotation ermöglichen. Um die kinetische Energie der Nanoteilchen noch wesentlich weiter zu reduzieren, wird eine Kühltechnik mit zwei Resonatormoden umgesetzt werden. Die Weiterentwicklung der optischen Kühlung wird entscheidend sein, um Experimente mit kohärenten Materiewellen in einem Massenbereich von 10^7 bis 10^8 amu zu ermöglichen.

Schlagwörter in Deutsch

Laserkühlung / Resonator

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Asenbaum, Peter
Title: Cavity cooling of silicon nanoparticles in high-vacuum
Umfangsangabe: 97 S.: Ill., graph. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Physik
Publication year: 2014
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Arndt, Markus
Assessor: Romero-Isart, Oriol
2. Assessor: Vuletic, Vladan
Classification: 33 Physik > 33.38 Quantenoptik, nichtlineare Optik
33 Physik > 33.18 Optik
AC Number: AC12157697
Item ID: 34252
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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