Spin-mechanics with micro-particles levitating in a Paul trap
Micro-particules en lévitation dans un piège de Paul pour la spin-mécanique
Résumé
Inspired by experiments on cold atoms and ions, the field optomechanics has made major steps towards realizing quantum mechanical experiments with macroscopic mechanical oscillators. Hybrid systems such as the spin of Nitrogen Vacancy (NV) centers coupled to a mechanical oscillator levitating under vacuum offer another promising approach. In this work, we levitate microdiamonds with ensembles of embedded NV spins and explore effects related to the coupling between the NV spins and the libration (angular oscillations) of the micro-diamonds.
Levitation is carried out by a Paul trap, which confines both the center of mass and angular degrees of freedom of a charged micro-diamond. In a first set of experiments, we demonstrate angular stability using NV spins and perform spin echoes with levitating diamond, showing no detectable impact of the trapping mechanism on the NV spins coherence and lifetime.
We then use highly doped diamonds with large NV spins ensembles to exert a spin-dependent torque on a levitating micro-diamond. Observation of an NV spin-induced torque on a mechanical oscillator offers many prospects, such as controlling the mechanical oscillator in the quantum regime, spin-spin coupling or room temperature quantum non-destructive read-out, in the single spin limit. Here the most direct application is the use of these ensembles to apply a non-conservative back-action on the angular motion of the diamond. This results in cooling or amplification of the librational modes of the diamond.
The main limitation of the current system is the low mechanical frequencies compared to the NV spins decoherence rate. To leverage this issue we levitate both ferromagnetic and composite ferromagnetic-diamond particles. We show one can use the magnetic moment of these particles to gain two order of magnitude in confinement for the angular degree of freedom, putting the mechanical frequencies higher than NV spins decoherence rate in high-purity diamond samples.
Inspiré des expériences d’atomes froids ou d’ions piégés, l’opto-mécanique a réalisé d’important progrès vers des expériences de mécanique quantique avec un oscillateur mécanique macroscopique. Une autre approche prometteuse est l'utilisation de systèmes hybrides ou le couplage entre un atome et un oscillateur mécanique permet le contrôle cohérent de ce dernier.
Dans ce travail, les modes de librations (oscillation angulaire) de micro-diamants en lévitation constituent l'oscillateur mécanique. Celui-ci est couplé via un champ magnétique aux spins de centre azote-lacune (NV) contenu dans le micro-diamant. Ce couplage permet alors le refroidissement du mouvement du micro-diamant, similairement à ce qui a pu être fait avec le mouvement d'ions ou d'atomes piégés.
La lévitation est réalisée à l’aide d’un piège de Paul qui confine le centre de masse mais également les degrés de liberté angulaire d’un micro-diamant chargé. Lors des premières expériences, nous utilisons les centres NV pour démontrer la stabilité angulaire et montrons que leurs propriétés de spin (cohérence, temps de vie) ne sont pas affectées par le piège.
Nous lévitons ensuite des diamants hautement dopés contenant un grand nombre de centres NV et utilisons leur spin pour exercer un couple sur le micro-diamant en lévitation. L’observation de ce couple ouvre de nombreuses perspectives telles que le contrôle de l’oscillateur mécanique dans le régime quantique, le couplage spin-spin et la mesure non-destructive d’un spin NV à température ambiante dans la limite du spin unique. Ici l’application la plus directe de cet effet est l’utilisation de ces ensembles de spins pour exercer une rétroaction non-conservative sur le mouvement angulaire du diamant. Cela résulte en un refroidissement ou une amplification du mode de libration du diamant.
La principale limitation du système est la faiblesse des fréquences de l’oscillateur mécanique comparées au taux de décohérence des spins des centres NV. Pour résoudre ce problème, nous lévitons des particules ferromagnétiques ainsi que des particules composites ferromagnétique-diamant. Nous montrons que le moment magnétique de ces particules peut être utilisé pour augmenter le confinement angulaire de deux ordres de grandeur, plaçant ainsi les fréquences de l’oscillateur mécanique au-delà des taux de décohérences typique de centres NV dans des diamants ultra-pures.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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