Spin-mechanics with micro-particle levitating in a Paul trap
Couplage Spin-mécanique avec des micro-particules en lévitation dans un piège de Paul
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 diamonds, showing no detectable impact of the trapping mechanism on the NV spin coherence and lifetime. We then use highly doped diamonds with large NV spin ensembles to exert a spin-dependent torque on a levitating micro-diamond. The 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 nondestructive 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 spin 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 spin decoherence rates in high-purity diamond samples.
Inspirée des expériences d’atomes froids ou d’ions piégés, l’opto-mécanique a réalisé d’importants 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 centres azote-lacune (NV) contenus dans le micro-diamant. Ce couplage permet alors le refroidissement du mouvement du micro-diamant, similairement au refroidissement Doppler 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 angulaires 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 faisons ensuite léviter 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 dans la limite du spin unique, la mesure non-destructive d’un spin NV à température ambiante. 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 de ce 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 utilisons des particules ferromagnétiques ainsi que des particules composites ferromagnétique-diamant en lévitation. 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 typiques de centres NV dans des diamants ultra-pures.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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