Feedback cooling of a pair of nonreciprocally coupled nanoparticles

Optically levitated nanoparticles offer an exceptionally controllable platform for investigating fundamental processes in mesoscopic physics. In particular, active feedback cooling enables strong suppression of thermal motion, and can be combined with optical interactions to engineer energy exchange between multiple particles. This thesis explores sympathetic cooling in a system of two optically trapped silica nanoparticles, coupled via an optically mediated interaction that can be tuned to be nonreciprocal. The main objective is to assess under which conditions an uncooled particle can be effectively cooled through its nonreciprocal interaction with a feedback-cooled counterpart. Two complementary approaches are developed: a characterization based on the position variance and a thermodynamic analysis using entropy extracted from the phase-space distribution. Numerical simulations are supported by experimental measurements. Results show that reciprocal coupling enables efficient sympathetic cooling, while non-reciprocal configurations can lead to counterintuitive behavior. In particular, coupling a hot particle to a cold one may fail to reduce its entropy, or even increase it. These findings show that non-reciprocal interactions can significantly alter cooling dynamics, enabling regimes where entropy flows from the colder to the hotter particle.

Le nanoparticelle otticamente levitate offrono una piattaforma eccezionalmente controllabile per lo studio di processi fondamentali nella fisica mesoscopica. In particolare, il raffreddamento attivo tramite retroazione consente una forte soppressione del moto termico e può essere combinato con interazioni ottiche per ingegnerizzare lo scambio di energia tra più particelle. Questa tesi esplora il raffreddamento simpatetico in un sistema composto da due nanoparticelle di silice intrappolate otticamente, accoppiate tramite un’interazione mediata otticamente che può essere regolata per diventare non reciproca. L’obiettivo principale è valutare in quali condizioni una particella non raffreddata possa essere efficacemente raffreddata attraverso la sua interazione non reciproca con una controparte soggetta a raffreddamento retroazionato. Vengono sviluppati due approcci complementari: una caratterizzazione basata sulla varianza della posizione e un’analisi termodinamica tramite l’entropia estratta dalla distribuzione nello spazio delle fasi. Le simulazioni numeriche sono supportate da misure sperimentali. I risultati mostrano che un accoppiamento reciproco consente un raffreddamento simpatetico efficiente, mentre configurazioni non reciproche possono portare a comportamenti controintuitivi. In particolare, accoppiare una particella calda a una fredda può non ridurne l’entropia, o addirittura aumentarla. Questi risultati mostrano che le interazioni non reciproche possono modificare significativamente la dinamica del raffreddamento, rendendo possibile un flusso di entropia dalla particella più fredda a quella più calda.