Optomechanics with levitating nitrogen-vacancy centers

Abstract

Levitated nanoparticles in high vacuum have recently demonstrated unique capabilities to advance the field of optomechanics, by providing a new platform for ultra high quality factors nanomechanical oscillators, thanks to the absence of supporting substrates. At the same time, nitrogen-vacancy (NV) centers in nanodiamonds have shown outstanding properties as individual quantum objects, acting as artificial atoms. Therefore, the levitation of NV centers in high vacuum is expected to open a new avenue for hybrid quantum nano-optomechanical systems. Here, we present our results towards vacuum trapping and cooling of NV centers in nanodiamonds, using Paul traps. A setup has been successfully built to trap nanodiamonds in air, detect their motion and measure the fluorescence counts from the embedded NV centers. In addition, we demonstrate, for the first time to our knowledge, trapping of NV centers in nanodiamonds at high vacuum levels. Work is still in progress towards cooling the center-of-mass motion of the levitated nanodiamonds, which will further enhance the ability to go into higher vacuum levels, and could enable coupling the optical degrees of freedom of the levitated NV centers to their mechanical counterparts. We envision our work to open the door for many interesting experiments in hybrid quantum nano-optomechanics.

La levitación de nanoartículas en alto vacío ha demostrado recientemente su potencial en el desarrollo de la optomecánica, al establecer una nueva plataforma para construir osciladores mecánicos en la escala nanométrica con factores de calidad muy elevados gracias a la ausencia de soporte alguno. Por otro lado, los defectos o centros nitrógeno-vacante (NV) en diamante tienen propiedades excepcionales como sistemas cuánticos individuales, comportándose en algunos aspectos como átomos artificiales. Así, es de esperar que la levitación de centros NV en alto vacío de lugar a una nueva vía hacia la obtención de sistemas optomecánicos de escala nanométrica que manifiestan efectos cuánticos. En esta Tesis, presentamos nuestros resultados en el desarrollo de un sistema que permita levitar de manera estable centros NV en nanodiamantes, usando una trampa de Paul en alto vacío. Por un lado, hemos construido un montaje que nos permite levitar un nanodiamante individual en aire, detectar su movimiento y medir la fluorescencia de los centros NV del mismo. Además, también demostramos la levitación de naodiamantes con centros NV en alto vacío. Estamos trabajando en la estabilización de la nanopartícula para presiones aún más bajas, lo que nos permitirá acoplar los grados de libertad ópticos del centro NV con los mecánicos. Alcanzar este objetivo abrirá el camino hacia la realización de experimentos muy interesantes con sistemas optomecánicos cuánticos.