Enhanced transverse cooling of nano-particles with a two-mode optical cavity

Abstract

Interferenzexperimente und optomechanische Experimente mit dielektrischen Teilchen stellen vielversprechende Systeme für die Erforschung quantenphysikalischer Eigenschaften von makroskopischen Körpern dar. Eine grundlegende Vorraussetzung für die Durchführbarkeit dieser Experimente ist, dass die Teilchen effizient in das Quantenregime gekühlt werden können. In dieser Arbeit werden mehrere Kühlschemata, die auf der Wechselwirkung des Teilchens mit den Moden einer optischen Cavity beruhen, für einen konkreten experimentellen Setup untersucht. Die einzelnen Kühlschema werden anhand einer analytischen Behandlung im Regime schwacher Wechselwirkung charakterisiert und die volle Dynamik des Systems wird anhand von numerischen Simulationen untersucht. Es zeigt sich, dass es bei niedrigen Teilchengeschwindigkeiten für alle Kühlschemata zu einer örtlichen Fixierung des Teilchens in der Cavity, dem Trapping, kommt und optimales Kühlen des Teilchens für Kühlschemata mit einer endlichen Kühlrate im Minimum der optischen Falle erreicht werden kann. Darüber hinaus wird eine m\"ogliche Verbesserung der Kühleffizienz aufgrund der Verwendung eines zeitabhängigen Kühlschemas diskutiert.

Interference experiments and optomechanical experiments with dielectric particles are promising systems for the investigation of quantum properties of macroscopic objects. A fundamental requirement for an experimental realization is an effiecent cooling of the particle into the quantum regime. In this thesis, several cooling schemes that are based on the interaction of the dielectric particle with the modes of an optical cavity are studied for a concrete experimental setup. The cooling schemes are characterized by an analytical treatment in the regime of weak interact and the full dynamics is investigated by numerical simulations. For all cooling schemes at low velocities of the particle, a local fixation of the particle in the cavity, i.e. trapping, occurs and optimal cooling is only achieved for a cooling scheme with a finite cooling rate at the position of the minimum of the optical trap. In addition, a possible enhancement of the cooling efficiency due to the use of a time-dependent cooling scheme is discussed.