Spin-rotation coupling in levitated nano- and microscale particles

Wachter, Vanessa; Kennes, Dante Marvin; Kusminskiy, Silvia Viola

doi:45262

Spin-rotation coupling in levitated nano- and microscale particles

Wachter, Vanessa^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Vanessa Wachter, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kusminskiy, Silvia Viola (Thesis advisor)^RWTH* ; Kennes, Dante Marvin (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-11-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03461
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1032356/files/1032356.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Barnett effect (frei) ; Einstein-de Haas effect (frei) ; levitated systems (frei) ; optomagnonics (frei) ; spin-rotation coupling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In Vakuum levitierte dielektrische Teilchen bieten eine vielseitige Plattform zur Untersuchung und Kontrolle der Dynamik von Mikro- und Nanoresonatoren, da sie sehr gut von Umgebungsrauschen isoliert sind und geringe Dekohärenzraten aufweisen. In dieser Arbeit untersuchen wir die Kopplung zwischen internem Spin und mechanischer Rotation – bekannt als Spin-Rotations-Kopplung – in solchen Systemen. Diese Kopplung manifestiert sich in den Einstein–de Haas- und Barnett-Effekten, die beschreiben, wie Änderungen des Spins oder der Magnetisierung eine mechanische Rotation hervorrufen und umgekehrt. Aufgrund des geringen Trägheitsmoments von Nano- und Mikroteilchen können diese Effekte eine dominante Rolle spielen und sind für die hier untersuchte Dynamik von zentraler Bedeutung. Wir untersuchen theoretisch die Spin-Rotations-Kopplung in zwei verschiedenen levitierten Systemen, die sowohl kollektive Magnetisierung als auch Einzelspindynamik in Gegenwart eines statischen Magnetfeldes umfassen. Zunächst entwickeln wir eine theoretische Toolbox, um die Quantendynamik eines Nanodiamanten mit einem einzelnen Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV-Zentrum), der elektrisch in einer Paul-Falle gefangen ist, zu untersuchen. Während der Nanodiamant nicht magnetisch geordnet ist, koppelt der Spin des NV-Zentrums direkt an die Rotation des Teilchens. Wir zeigen, dass diese Kopplung größer als die charakteristischen Frequenzen des Systems sein kann, was den Zugang zum sogenannten ultrastarken Kopplungsregime ermöglicht. Darüber hinaus demonstrieren wir, wie der eingebettete Spin die Rotation von gyroskopisch stabilisierten Rotoren beeinflusst. Die ausgeprägten Spin-Rotations-Signaturen machen das System besonders attraktiv für die Untersuchung der Spin-Rotations-Kopplung und öffnen die Tür zu Experimenten zum Nachweis von Superposition mit massiven Objekten, für welche wir mögliche experimentelle Protokolle vorschlagen. Darüber hinaus untersuchen wir die optischen Signaturen von spin-mechanischen Wechselwirkungen in einem magnetisch geordneten System anhand einer levitierten, Faraday-aktiven dielektrischen Mikrokugel, die durch ein Laserfeld angetrieben wird. Diese hybride Plattform, in der Licht, Magnetisierung und Rotation miteinander verwoben sind, kombiniert levitierte Optomechanik und Optomagnonik in optischen Resonatoren. Wir zeigen, dass die optisch angetriebene Magnetisierungsdynamik zu winkelabhängigen Oszillationen des Teilchens führt, und dass sich die Interaktion zwischen Spin und Rotation im optischen Antwortsignal widerspiegelt, was Licht zu einem empfindlichen Sensor für magnetomechanische Dynamik macht.

Levitated dielectric particles in vacuum provide a versatile platform to study and control the dynamics of micro- and nanoscale resonators, owing to their high isolation from environmental noise and low decoherence rates. In this thesis, we explore the coupling between internal spin and mechanical rotation - known as spin-rotation coupling - in such systems. This coupling is manifested in the Einstein-de Haas and Barnett effects, which describe how changes in spin or magnetization induce mechanical rotation and vice versa. Due to the reduced moment of inertia of nano- and microscale particles, these effects can play a dominant role and are central to the dynamics studied here. We theoretically investigate spin-rotation coupling in two distinct levitated platforms, encompassing both collective magnetization and single-spin dynamics in the presence of static magnetic fields. First, we develop a theoretical framework for the quantum dynamics of a nanodiamond with a single nitrogen-vacancy (NV) center, electrically suspended in a Paul trap. While the nanodiamond itself is not magnetically ordered, the NV center's spin couples directly to the particle’s rotation. We show that this coupling can exceed the characteristic frequencies of the system, enabling access to the so-called ultrastrong coupling regime. Furthermore, we demonstrate how the embedded spin influences the rotation of gyroscopically stabilized rotors. The strong spin-rotation signatures make the system attractive for probing spin-rotation coupling, and open the door to superposition experiments with massive objects, for which we propose potential experimental protocols. Second, to investigate the optical signatures of spin-mechanical interactions in a magnetically ordered system, we consider a levitated Faraday-active dielectric microsphere driven by a laser field. This hybrid platform, where light, magnetization, and rotation are intertwined, combines levitated optomechanics and cavity optomagnonics. We find that the optically driven magnetization dynamics induces angular oscillations of the particle, and show that the optical response carries clear signatures of this spin-rotation interplay, making light a sensitive probe of magneto-mechanical dynamics.

OpenAccess:
PDF
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