High precision measurements of magnetic fields and synchronization in optomechanical cavities

Resum

Els dispositius basats en ressonadors mecànics són un dels més fonamentals i omnipresents sistemes físics a totes les escales. Juguen un paper fonamental en el processament de senyals de ràdio i en sensors de magnituds físiques. En les últimes dècades, s'han realitzat esforços en investigar diferents possibles maneres de manipular, acoblar i llegir el moviment del ressonador. A escala micro i nanomètrica, el primer intent tecnològic va ser acoblar els ressonadors mecànics amb circuits elèctrics. Recentment, s'ha investigat l'ús de radiació electromagnètica per controlar la mecànica. Aquest camp, anomenat Optomecànica, ha estat útil per investigar problemes com el comportament quàntic d'objectes massius o experiments relacionats amb informació quàntica. Molts d'aquests experiments requereixen que el ressonador mecànic es trobi en el seu estat de més baixa energia, conegut com a estat fonamental. Aquest estat només accessible a temperatures criogèniques, i suposen un esforç extra en l'àmbit tecnològic i dificultat. L'objectiu de la meva tesi és desvetllar altres aspectes importants que sorgeixen a conseqüència d'acoblar llum a objectes mecànics sense necessitar que el ressonador operi a l'estat fonamental. En particular, discutiré dos experiments realitzats a temperatura ambient i enfocats a aplicar l'optomecànica a desafiaments tecnològics. El primer experiment està relacionat amb l'habilitat dels sistemes optomecànics per detectar petites forces aplicades sobre ressonadors mecànics. En l'experiment, fem servir una esfera optomecànica de mida micromètrica com a sensor de forces induïdes per camps magnètics ultrabaixos. La força és produïda per un fenomen ressonant que involucra magnons i fonons en un material ferromagnètic. El mínim camp magnètic capaç de ser detectat és de 850 picoTesla amb una amplada de banda de 100 kHz. A més, la capacitat de sintonitzar la resposta en freqüència del magnetòmetre ofereix la possibilitat de detectar camps magnètics en un rang dinàmic de fins a 1.1 GHz. Aquest dispositiu suposa una prova de concepte que obre un nou ventall de possibilitats de desenvolupar magnetòmetres optomecànics d'ultra alta sensibilitat, la qual cosa és crucial en múltiples àrees com la geologia, sistemes d'imatges mèdica, o defensa. El segon experiment que es discuteix en aquesta tesi descriu un desafiament fonamental en la física de nanoescala, com ho és la sincronització de vidres optomecànicas connectades per un acoblament feble de tipus mecànic. Vam demostrar que explotant la interacció mecànica i les propietats no lineals de la llum, podem modificar estratègicament l'estat dinàmic dels oscil·ladors. Observem que els vidres optomecànics acaben oscil·lant individualment en un estat coherent, d'alta amplitud i autosostinguda. També vam demostrar experimentalment que el sistema evoluciona a un règim on els dos oscil·ladors acaben sincronitzats en oposició de fase. Els resultats d'aquests experiments podrien crear un precedent per establir un sistema de comunicacions de poc soroll entre sistemes optomecànics.

Data del Ajut	18 de set. 2020
Idioma original	Anglès
Supervisor	Daniel Navarro-Urrios (Director/a), Marius Vasile Costache (Director/a) & Jordi Mompart Penina (Tutor/a)