Levitodynamics on-a-chip: from planar Paul traps to near-field optical nanocavities

Abstract

The field of levitation optomechanics---or levitodynamics---studies the manipulation and control of small trapped objects in an isolated environment, providing a gateway to answer fundamental questions in physics and expanding the range of applications at the nanoscale.

Levitation of particles can be achieved through different tools and techniques such as Paul traps and optical tweezers. Paul traps are created by alternating electric fields to levitate charged particles, while optical traps are based on optical forces that confine and manipulate nano-objects with high polarizability and low absorption.

Both have the potential to be reduced to on-a-chip systems, enabling the miniaturization of the experiment, its interface with other photonic devices, and the expansion of trapping tools to on-a-chip technologies. In particular, a nanocavity coupled with a levitated particle is a promising platform to attain higher per-photon sensitivities than far-field detection schemes. The further study of on-a-chip levitated optomechanics systems will allow for new applications that enable sub-wavelength control and near-field detection in vacuum conditions.

In this thesis, we describe our work with two on-a-chip levitodynamics experiments. Firstly, we have designed and built a planar Paul trap to levitate nanoparticles. This integrated device allows to manipulate and interrogate the trapped specimen, even over long periods of time. We optimized the geometry of the trap to a confinement of 4 microns in each direction. This on-a-chip levitation tool has potential to become a clean loading mechanism to trap particles in vacuum, avoiding current techniques that are unsuitable for contamination-sensitive experiments.

Secondly, we have also designed, fabricated and tested a 1D photonic crystal nanocavity suspended on a silicon nitride membrane to study near-field levitodynamics. We have approached a levitated nanoparticle by an optical tweezer to the near-field of the nanocavity and measured the dynamics of the nanoparticle through the nanocavity. From the output signal of the nanocavity, we have estimated the single-photon optomechanical strength g0 along each axis. We have also characterized the thermal dynamics of the nanocavity. The power circulating inside the cavity increases the temperature of the device, inducing rich and tunable behavior in the transmission, such as bistability and self-induced oscillations.

Control over these thermal effects is fundamental to create all-optical integrated circuits. This technology, exploited alongside the miniaturization of Paul traps and near-field schemes, could enable on-a-chip levitodynamical devices that are able to trap, manipulate, and detect nano-objects with unprecedented precision.

El campo de la optomecánica de levitación---o levitodinámica---estudia la manipulación y el control de objetos pequeños atrapados, proporcionando un entorno aislado, para dar respuesta a preguntas fundamentales en física y para expandir las aplicaciones nanotecnológicas. Se puede levitar partículas mediante diferentes técnicas, como por ejemplo, las trampas de Paul y las pinzas ópticas. Las trampas de Paul se generan mediante campos eléctricos variables en el tiempo y permiten levitar partículas cargadas. Por otro lado, las trampas ópticas se basan en fuerzas ópticas, que confinan nano-objetos con alta polarizabilidad y baja absorción. Ambas opciones ofrecen la posibilidad de convertirse en un sistema integrado: minituarizando el experimento, facilitando su interacción con otros sistemas fotónicos y expandiendo así las herramientas de levitación hacia una tecnología "on-a-chip''. En particular, una nanocavidad acoplada a una nanopartícula levitada es una plataforma prometedora para alcanzar una alta sensitividad por fotón en comparación con técnicas de detección de campo lejano. El estudio de sistemas optomecánicos levitados permitirá el desarrollo de nuevas aplicaciones, control inferior a la longitud de onda y detección de campo cercano. En esta tesis, describimos dos sistemas levitodinámicos ``on-a-chip''. Primero, hemos diseñado y construido una trampa de Paul plana para hacer levitar nanopartículas. Este sistema integrado permite manipular el espécimen atrapado durante largos periodos de tiempo. Hemos optimizado la geometría de la trampa hasta un confinamiento de 4 micras en cada dirección. Esta herramienta de levitación `"on-a-chip'' permitirá un procedimiento limpio para cargar partículas a una trampa óptica directamente en vacío, evitando técnicas inapropiadas para experimentos sensibles a contaminación. Segundo, hemos diseñado, fabricado y caracterizado una nanocavidad de cristal fotónico 1D en una membrana suspendida de nitruro de silicio para estudiar la levitodinámica de campo cercano. Hemos acercado una partícula levitada ópticamente al campo cercano de la nanocavidad y, a través de ella, hemos medido la dinámica de la nanopartícula. Mediante la señal de transmisión de la nanocavidad, hemos estimado la fuerza optomecánica por fotón g0 para cada eje de movimiento. También hemos caracterizado el comportamiento térmico de la nanocavidad. La potencia que circula por ella aumenta su temperatura, dando lugar a biestabilidad y oscilaciones auto-inducidas en su transmisión, elementos claves para crear circuitos de óptica integrada. Esta tecnología, junto a la minituarización de las trampas de Paul y sistemas de campo cercano darán lugar a sistemas levitodinámicos "on-a-chip'' capaces de atrapar, manipular y detectar nano-objetos con una precisión sin precedentes.