Near-Field GHz Rotation and Sensing with an Optically Levitated Nanodumbbell

悬浮 物理 光学 卡西米尔效应 旋转(数学) 近场和远场 光学力 衍射 激光器 探测器 材料科学 光学镊子 经典力学 磁铁 量子力学 几何学 数学
作者
Peng Ju,Yuanbin Jin,Kunhong Shen,Yao Duan,Zhujing Xu,Xingyu Gao,Xingjie Ni,Tongcang Li
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:23 (22): 10157-10163 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02442
摘要

A levitated nonspherical nanoparticle in a vacuum is ideal for studying quantum rotations and is an ultrasensitive torque detector for probing fundamental particle-surface interactions. Here, we optically levitate a silica nanodumbbell in a vacuum at 430 nm away from a sapphire surface and drive it to rotate at GHz frequencies. The relative linear speed between the tip of the nanodumbbell and the surface reaches 1.4 km s-1 at a submicrometer separation. The rotating nanodumbbell near the surface demonstrates a torque sensitivity of (5.0 ± 1.1) × 10-26 N m Hz-1/2 at room temperature. Moreover, we probed the near-field laser intensity distribution beyond the optical diffraction limit with a nanodumbbell levitated near a nanograting. Our numerical simulations show that the system can measure the Casimir torque and will improve the detection limit of non-Newtonian gravity by several orders of magnitude.

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