[論文レビュー] Cavity-mediated long-range interactions in levitated optomechanics

Jayadev Vijayan, Johannes Piotrowski+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、真空中で光学的に浮上した2つのナノ粒子間の、プログラマブルなキャビティ媒介長距離相互作用を、初めて実証した。キャビティを介して強い、調整可能な結合（Gzz/Ωz = 0.238 ± 0.005）を実現し、キャビティモード体積内では粒子間距離に依存しない。この相互作用は、トランジスタの周波数、位置、力学モードを制御するための音響光学的偏向器（AOD）を用いて設計され、調整可能で非可逆的な結合と分離エネルギー準位の測定が可能になった。

ABSTRACT

The ability to engineer cavity-mediated interactions has emerged as a powerful tool for the generation of non-local correlations and the investigation of non-equilibrium phenomena in many-body systems. Levitated optomechanical systems have recently entered the multi-particle regime, with promise for using arrays of massive strongly coupled oscillators for exploring complex interacting systems and sensing. Here, by combining advances in multi-particle optical levitation and cavity-based quantum control, we demonstrate, for the first time, programmable cavity-mediated interactions between nanoparticles in vacuum. The interaction is mediated by photons scattered by spatially separated particles in a cavity, resulting in strong coupling ($G_ ext{zz}/Ω_ ext{z} = 0.238\pm0.005$) that does not decay with distance within the cavity mode volume. We investigate the scaling of the interaction strength with cavity detuning and inter-particle separation, and demonstrate the tunability of interactions between different mechanical modes. Our work paves the way towards exploring many-body effects in nanoparticle arrays with programmable cavity-mediated interactions, generating entanglement of motion, and using interacting particle arrays for optomechanical sensing.

研究の動機と目的

• 真空中で空間的に分離されたナノ粒子間の長距離、キャビティ媒介相互作用を実現すること。
• 距離に伴い減衰する自由空間光学的およびダイポール相互作用の限界を克服し、もつれを生成するのに十分な弱さではないこと。
• 粒子の位置、力学モード、キャビティデチューニングをプログラマブルに制御することで、調整可能な相互作用を設計すること。
• 巨視的オプトメカニカル配列における多体量子効果およびもつれの探求を可能にすること。
• プログラマブルで相互作用する粒子配列を用いたオプトメカニカルセンシングの基盤を築くこと。

提案手法

• 音響光学的偏向器（AOD）を用いて、真空中でナノ粒子をトラップするためのプログラマブルなトランジスタアレイを生成する。
• 高数値のNA（NA = 0.75）を有する1550 nm波長の光トランジスタを用いて、SiO2ナノ粒子（直径150 nm）を浮上・トラップする。
• 高ファインネスな光学キャビティ（κ/2π = 600 kHz、Lc = 9.6 mm）を用いて相互作用を媒介し、レーザー周波数を制御することでキャビティデチューニングΔを制御する。
• 散乱光のバランスドヘテロダイン検出を用いてキャビティ媒介結合を測定し、フーリエスペクトルで力学的サイドバンドを検出する。
• 理論的モデリングでは、キャビティを断続的に除去する近似を用いた簡略化されたマスター方程式を用い、式8により有効結合Gαα′を記述する動的行列を導出する。
• モード分裂は式11を用いてスペクトログラムから抽出され、結合系の固有値に適合させることで、G1µ,2µG2µ,1µを抽出し、有効相互作用強度を算出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空中で空間的に分離したナノ粒子間のキャビティ媒介長距離相互作用を設計可能か？
• RQ2 キャビティデチューニングおよび粒子間距離に伴うキャビティ媒介相互作用の強さのスケーリングはどのように変化するか？
• RQ3 特定の力学モード（x, y, z）のナノ粒子間の結合を、選択的に調整可能か？
• RQ4 相互作用は非可逆的か？この性質は結合系のダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ5 測定可能な最小結合強度は何か？また、これと他の相互作用（例：クーロン力、光学的結合）と比較するとどうなるか？

主な発見

• 実験により、Gzz/Ωz = 0.238 ± 0.005の強い、減衰しないキャビティ媒介結合が実証され、強い結合状態を示した。
• 粒子間距離（d ≈ 6 µm）に依存しない相互作用強度は、キャビティモード体積内での長距離性を確認した。
• キャビティデチューニングΔおよびトランジスタパワーの調整により、異なる力学モード間の結合を制御可能である。
• 測定されたモード分裂は最大3.5 kHzに達し、最小分解可能な結合強度は約0.15 kHzであり、理論的推定と整合的であった。
• 直接的な光学的結合およびクーロン相互作用は、それぞれ約0.14 kHzおよび0.17 kHzと推定され、両者とも測定可能な閾値未満にとどまり、キャビティ媒介結合の優位性を確認した。
• 理論モデルが予測したように、非可逆的結合が達成されており、Gαα′ ≠ Gα′αである。これにより、複雑なネットワークトポロジーの実現が可能になった。