[pt] COLOCANDO INTERAÇÕES OPTOMECÂNICAS EM USO: DO APRISIONAMENTO DE ORGANISMOS AO EMARANHAMENTO DE NANOESFERAS

[en] HARNESSING OPTOMECHANICAL INTERACTIONS: FROM TRAPPING ORGANISMS TO ENTANGLING NANOSPHERES

[pt] IGOR BRANDAO CAVALCANTI MOREIRA

[pt] EMARANHAMENTO

[pt] INFORMACAO QUANTICA GAUSSIANA

[pt] PINCAS OPTICAS

[pt] OPTOMECANICA QUANTICA

[pt] INTERFEROMETRIA

[en] ENTANGLEMENT

[en] GAUSSIAN QUANTUM INFORMATION

[en] OPTICAL TWEEZERS

[en] QUANTUM OPTOMECHANICS

[en] INTERFEROMETRY

[pt] Nas últimas décadas, interações entre luz e matéria provaram ser uma ferramenta versátil para medir e controlar sistemas mecânicos, encontrando aplicações desde detecção de forças até resfriamento ao estado fundamental de nanoesferas. Nesta dissertação, nós apresentamos algumas das ferramentas teóricas necessárias para descrever interferômetros, pinças ópticas e cavidades ópticas, constituintes fundamentais da caixa de ferramentas optomecânica. No regime clássico, estudamos o campo eletromagnético circulante em interferômetros lineares e mostramos como encontrar o campo resultante transmitido, apresentando exemplos de cavidades ópticas com um número arbitrário de elementos dispersivos. Nós também estudamos as forças de pressão de radiação que feixes ópticos podem imprimir em partículas dielétricas e mostramos como o aprisionamento óptico 3D é possível em focos claros e escuros. A potencial aplicação para captura de organismos vivos é estudada. No regime quântico, nós estudamos como o campo ressonante de cavidades ópticas pode interagir de forma dispersiva com diferentes sistemas mecânicos, dando origem a uma dinâmica quântica fechada emaranhante. Ao considerar uma nuvem ultra resfriada de átomos interagindo com dois modos ópticos, mostramos o surgimento de emaranhamento óptico que evidencia a natureza não-clássica do conjunto atômico macroscópico. A viabilidade experimental deste experimento com tecnologia atual é estudada. Além disso, nós investigamos o cenário em que uma pinça óptica posiciona uma partícula levitada dentro de uma cavidade óptica de forma que os fótons da pinça espalhados pela partícula possam sobreviver dentro da cavidade. Já foi demonstrado que esta interação, chamada de espalhamento coerente, pode resfriar nanopartículas até números de fônons menores do que um, atingindo profundamente o regime quântico. Nós mostramos que esta interação também pode gerar emaranhamento mecânico entre muitas partículas levitadas, mesmo em um ambiente a temperatura de 300K. Um resumo sobre sistemas de variáveis contínuas e a caixa de ferramentas numérica customizada usada ao longo deste trabalho são apresentados.

[en] Over the last decades, light-matter interactions have proven to be a versatile tool to measure and control mechanical systems, finding application from force sensing to ground state cooling of nanospheres. In this dissertation, we present some of the theoretical tools that describe interferometers, optical tweezers and optical cavities, fundamental constituents of the optomechanical toolbox. In the classical regime, we study the circulating electromagnetic field within linear interferometers and show how one can find the resulting transmitted field, presenting examples of optical cavities with an arbitrary number of dispersive elements. Moreover, we also study the radiation-pressure forces that optical beams can imprint on dielectric particles and show how 3D optical trapping is possible in both bright and dark focuses. Potential application to trapping of living organisms is studied. In the quantum regime, we study how the resonant field of optical cavities can dispersivelly interact with different mechanical systems, giving rise to an entangling closed quantum dynamics. When considering an ultracold cloud of atoms interacting with two optical modes, we show the emergence of optical entanglement which evidences the nonclassical nature of the macroscopic atomic ensemble. The experimental feasibility of this experiment with current technology is studied. Furthermore, we investigate the scenario where a finely tuned optical tweezer places a trapped particle inside an optical cavity such that the tweezer s scattered photons can survive inside the cavity. This so-called coherent scattering interaction has been shown to cool nanoparticles to phonon numbers lower than one deep into the quantum regime. We show that it also can generate mechanical entanglement between many levitated particles even in a room temperature environment. An overview on continuous variable systems and the custom numerical toolbox used throughout this work are presented.

THIAGO BARBOSA DOS SANTOS GUERREIRO

WELLES ANTONIO MARTINEZ MORGADO

THIAGO BARBOSA DOS SANTOS GUERREIRO

GABRIEL TEIXEIRA LANDI

MAURO PATERNOSTRO

2021-06-28

2021-04-13

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.53441