Optically Levitated Nanodumbbell Torsion Balance and GHz Nanomechanical Rotor

光力学 悬浮 卡西米尔效应 物理 扭转(腹足类) 光学镊子 扭力弹簧 光学力 激光器 扭矩 振动 量子 经典力学 机械 光学 磁铁 量子力学 医学 外科
作者
Jonghoon Ahn,Zhujing Xu,Jaehoon Bang,Yu‐Hao Deng,Thai M. Hoang,Qinkai Han,Ren‐Min Ma,Tongcang Li
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:121 (3) 被引量:275
标识
DOI:10.1103/physrevlett.121.033603
摘要

Levitated optomechanics has great potentials in precision measurements, thermodynamics, macroscopic quantum mechanics and quantum sensing. Here we synthesize and optically levitate silica nanodumbbells in high vacuum. With a linearly polarized laser, we observe the torsional vibration of an optically levitated nanodumbbell in vacuum. The linearly-polarized optical tweezer provides a restoring torque to confine the orientation of the nanodumbbell, in analog to the torsion wire which provides restoring torque for suspended lead spheres in the Cavendish torsion balance. Our calculation shows its torque detection sensitivity can exceed that of the current state-of-the-art torsion balance by several orders. The levitated nanodumbbell torsion balance provides rare opportunities to observe the Casimir torque and probe the quantum nature of gravity as proposed recently. With a circularly-polarized laser, we drive a 170-nm-diameter nanodumbbell to rotate beyond 1~GHz, which is the fastest nanomechanical rotor realized to date. Our calculations show that smaller silica nanodumbbells can sustain rotation frequency beyond 10 GHz. Such ultrafast rotation may be used to study material properties and probe vacuum friction.
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