論文の概要: Quantum theory of electrically levitated nanoparticle-ion systems: Motional dynamics and sympathetic cooling

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.21495v2
• Date: Thu, 27 Nov 2025 06:40:12 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-01 13:46:31.816408
• Title: Quantum theory of electrically levitated nanoparticle-ion systems: Motional dynamics and sympathetic cooling
• Title（参考訳）: 導電性ナノ粒子イオン系の量子論:運動力学と交感冷却
• Authors: Saurabh Gupta, Dmitry S. Bykov, Tracy E. Northup, Carlos Gonzalez-Ballestero,
• Abstract要約: 本研究では, ナノ粒子の中心運動の量子結合力学と, 二重周波数線形ポールトラップに共トラッピングされたイオンのアンサンブルについて述べる。 本研究は, レビテーションナノ粒子の非ガウス運動状態のイオン支援製剤の探索に必要な理論ツールボックスを確立する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.526782512693628
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We develop the theory describing the quantum coupled dynamics of the center-of-mass motion of a nanoparticle and an ensemble of ions co-trapped in a dual-frequency linear Paul trap. We first derive analytical expressions for the motional frequencies and classical trajectories of both nanoparticle and ions. We then derive a quantum master equation for the ion-nanoparticle system and quantify the sympathetic cooling of the nanoparticle motion enabled by its Coulomb coupling to a continuously Doppler-cooled ion. We predict that motional cooling down to sub-kelvin temperatures is achievable in state-of-the-art experiments even in the absence of motional feedback and in the presence of micromotion. We then extend our analysis to an ensemble of $N$ ions, predicting a linear increase of the cooling rate as a function of $N$ and motional cooling of the nanoparticle down to tenths of millikelvin in current experimental platforms. Our work establishes the theoretical toolbox needed to explore the ion-assisted preparation of non-Gaussian motional states of levitated nanoparticles.
• Abstract（参考訳）: 本研究では, ナノ粒子の中心運動の量子結合力学と, 二重周波数線形ポールトラップに共トラッピングされたイオンのアンサンブルについて述べる。 まず、ナノ粒子とイオンの両方の運動周波数と古典的軌跡の分析式を導出した。 次に、イオン-ナノ粒子系の量子マスター方程式を導出し、クーロン結合によって実現されるナノ粒子運動の相同性冷却を連続的にドップラー冷却したイオンに定量化する。 運動フィードバックの欠如やマイクロモーションの存在下においても,ケルビン下温度への運動冷却が最先端の実験で達成可能であることを予測した。 解析結果をN$イオンのアンサンブルに拡張し、現在の実験プラットフォームにおけるナノ粒子のN$と運動冷却の関数としての冷却速度の線形増加を予測した。 本研究は, レビテーションナノ粒子の非ガウス運動状態のイオン支援製剤の探索に必要な理論ツールボックスを確立する。

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