Cross-Correlation Measurement of a Nanomechanical Oscillator Coupled to a Superconducting Cavity
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2014-08-19
Department
Major/Subject
Teknillinen fysiikka
Mcode
F3005
Degree programme
Teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
53 + 4
Series
Abstract
At macroscopic scale, the quantum mechanical behavior of objects is hidden from us due to quantum decoherence. Micro- and nanomechanical resonators are interesting candidates for the study and exploitation of the quantum mechanical degree of motion at a larger sizescale than that of atoms and molecules. The thermodynamical motion of these miniaturized oscillators can bee cooled to the ground state expected by quantum mechanics. Near the ground state, the quantum states can have sufficiently long lifetimes for the quantum nature to be revealed. In recent experiment, cavity optomechanical systems have been used to cool micro- and nanomechanical resonator to their ground state. In this approach, the mechanical resonator is usually coupled to an electromagnetic wave resonating in a cavity. The electromagnetic wave induces a force that can, in certain conditions, cool the mechanics. The mechanical resonator, in turn, modulates the electromagnetic wave in the cavity, and hence its motion can be detected from the electromagnetic field that escapes the cavity. In this work, I will study a cavity optomechanical system in which a doublyclamped beam resonator is capacitively coupled to a superconducting microwave cavity. I will explain the experimental aspects, such as the fabrication process and the measurement setup, in detail. From the theoretical point of view, I will explain the microwave cavity in detail, and briefly introduce the mechanical resonator and its coupling to the cavity. The main focus of this thesis is the measurement of the microwave signal that escapes the cavity and contains the mechanical information. More specifically, I will explore a cross-correlation technique as a means to reduce the averaging times needed in such measurements.Kvanttimekaanisia ilmiöitä ei havaita makroskooppisessa mittakaavassa dekoherenssin takia. Mikro- ja nanomekaaniset resonaattorit ovat mielenkiintoinen lähtökohta, kun kvanttimekaniikkaa halutaan tutkia ja käyttää atomi- ja molekyylimittakaavaa suuremmassa kokoluokassa. Näiden pienten resonaattoreiden terminen liike voidaan jäähdyttää kvanttimekaaniseen perustilaan. Tämä termisen kohinan vaimentaminen pidentää kvanttimekaanisten tilojen elinaikaa, joka puolestaan mahdollistaa kvanttimekaaniset ilmiöt. Viimeaikaisissa kokeissa mikro- ja nanomekaanisia resonaattoreita on jäähdytetty perustilaansa kytkemällä ne optisiin kaviteetteihin. Tällaisessa optomekaanisessa systeemissä mekaanisen resonaattorin liike kytkeytyy yleensä kaviteetin sisällä värähtelevään sähkömagneettiseen kenttään. Tietyissä tilanteissa tämä sähkömagneettinen kenttä voi aiheuttaa voiman, joka jäähdyttää mekaanista liikettä. Toisaalta resonaattorin liike moduloi sähkömagneettista kenttää, joten resonaattorin liikettä voidaan mitata kaviteetista vuotavasta sähkömagneettisesta signalista. Tässä työssä tutkitaan systeemiä, jossa nanomekaaninen resonaattori on kapasitiivisesti kytketty mikroalueella toimivaan suprajohtavaan kaviteettiin. Selitän näytteenvalmistuksen ja mittauslaitteiston tarkasti. Teen myös tarkan teoreettisen mallin kaviteetille ja annan lyhyen johdannon resonaattorin mekaniikalle ja kapasitiiviselle kytkeytymiselle. Keskityn työssä erityisesti kaviteetista vuotavan mikroaaltosignaalin mittaukseen, joka siis sisältää tietoa resonaattorin liikkeestä. Tutkin voidaanko ristikorrelaatioon perustuvia menetelmiä käyttää pienentämään tällaisissa mittauksissa tarvittavaa keskiarvoistusaikaa.Description
Supervisor
Sillanpää, MikaThesis advisor
Sillanpää, MikaKeywords
cross-correlation, power spectrum, optomechanics, mechanical resonators, ristikorrelaatio, tehospektri, optomekaniikka, mekaaniset värähtelijät