Levitodynamics toward force nano-sensors in vacuum

Abstract

Levitodynamics addresses the levitation and manipulation of micro- and nanoresonators with the purpose of studying their dynamics. This emerging field has attracted much attention over the last few years owing to unprecedented performances in terms of mechanical quality factors, cooling rates at room temperature, and ultra-high force sensitivities. In this thesis, I establish the use of an optically levitated and electrically driven charged silica nanoparticle as a promising and reliable force sensor in vacuum. The first two experiments discussed in this work seek a deeper knowledge and a higher control of the levitated system. Firstly, I suggest and demonstrate a novel protocol to measure the mass of the particle up to 2% accuracy using its electrically driven motion. This method improves by more than one order of magnitude the state-of-the-art mass measurements in standard optical tweezers schemes. Then, leveraging on these results, a second experiment is performed to address important open issues regarding the morphology of the nanoparticles used, with particular interest in their surface chemistry and in the understanding of mass-losses due to water desorption from the silica spheres. Finally, backed up by extensive theoretical background in nonlinear mechanical oscillators, I investigate the stochastic bistable dynamics of a parametrically driven nanoresonator in the nonlinear regime, discussing the potential of noise-activated stochastic switching and stochastic resonance as unconventional force detection schemes.

La levitodinámica estudia la manipulación de micro y nanorresonadores en levitación con el objetivo de controlar su dinámica. Este nuevo campo ha atraído mucha atención en los últimos años gracias a sus prestaciones sin precedentes en términos de factores de calidad mecánica, posibilidad de enfriamiento del centro de masas a temperatura ambiente y altas sensibilidades en la detección de fuerzas. En esta tesis, establezco un sensor de fuerza basado en el uso de una nanopartícula de sílice levitada ópticamente en el vacío que, gracias a su carga, puede ser accionada mediante campos eléctricos. Los dos primeros experimentos discutidos en este trabajo intentan conseguir un conocimiento más profundo y un mayor control del sistema levitado. En primer lugar, se propone y demuestra un nuevo protocolo para la medida de la masa de la partícula en levitación con una precisión del 2% basado en el estudio de la dinámica forzada cuando la partícula es accionada eléctricamente. Este método mejora en más de un orden de magnitud las mediciones de la masa de la partícula en plataformas de pinzas ópticas estándar. Aprovechando este desarrollo, se realiza un segundo experimento para estudiar importantes problemas relacionados con las propiedades físicas y químicas de las nanopartículas utilizadas, con especial interés en su química superficial y en la comprensión de las pérdidas de masa onbservadas debidas a la desorción de agua de las esferas de sílice. Finalmente, gracias a una amplia base teórica en osciladores mecánicos no lineales, investigo la dinámica estocástica biestable de un nanoresonador accionado paramétricamente en el régimen no lineal, discutiendo el potencial de las transiciones estocásticas activadas por ruido externo y la resonancia estocástica como esquemas de detección de fuerza no convencionales.