[論文レビュー] Cavity nano-optomechanics in the ultrastrong coupling regime with ultrasensitive force sensors

F Fogliano, Benjamin Besga+7 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Apr 1, 2019

Mechanical and Optical Resonators被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、スルーレイク・カーボンナノワイヤを挿入することで、ファイバー駆動型マイクロキャビティにおいて超強いキャビティ光力学的結合を実証した。これにより、1光子あたりの結合強度が機械的振動数の100倍以上に達した。ナノワイヤベースのスキャンプローブ技術を用いて、パラメトリック結合および完全なベクトル場の光力学的力場をマッピングし、超低光子フラックス下での1光子キャビティ光力学的現象に直接アクセス可能にした。量子非破壊測定の可能性を秘める。

ABSTRACT

In a canonical optomechanical system, mechanical vibrations are dynamically encoded on an optical probe field which reciprocally exerts a backaction force. Due to the weak single photon coupling strength achieved with macroscopic oscillators, most of existing experiments were conducted with large photon numbers to achieve sizeable effects, thereby causing a dilution of the original optomechanical non-linearity. Here, we investigate the optomechanical interaction of an ultrasensitive suspended nanowire inserted in a fiber-based microcavity mode. This implementation allows to enter far into the hitherto unexplored ultrastrong optomechanical coupling regime, where one single intracavity photon can displace the oscillator by more than its zero point fluctuations. To fully characterize our system, we implement nanowire-based scanning probe measurements to map the vectorial optomechanical coupling strength, but also to reveal the intracavity optomechanical force field experienced by the nanowire. This work establishes that the single photon cavity optomechanics regime is within experimental reach.

研究の動機と目的

• キャビティ光力学的結合の超強い結合領域にアクセスすること。ここでは、1光子が機械的オシレーターをゼロ点揺らぎよりも大きく変位させる。
• ナノワイヤベースのスキャンプローブを用いた二重定性的手法を開発し、パラメトリック結合およびキャビティ内光力学的力場をマッピングすること。
• 従来、巨視的系では結合が弱いため到達不可能だった、1光子光力学的非線形性の実験的探求を可能にすること。
• 単一光子レベルでの量子測定、特にQND測定や設計された非線形性を実現する道筋を示すこと。
• 冷却されたナノワイヤを用いた単一光子領域での動作の可能性を実証し、検出可能な1光子反動に近づくこと。

提案手法

• 高フィネスのファイバー・マイクロキャビティの腹節に、波長未満の直径を有するキャビティ内に浮遊するシリコンカーバイドナノワイヤを配置し、光力学的結合を最大化する。
• スキャンプローブ測定は、ナノワイヤをピエゾ駆動でキャビティモード体積内を走査することで実施され、キャビティ周波数の変化および線幅の空間的マッピングが可能となる。
• パラメトリック結合強度は、キャビティロック補正信号マップの勾配から導出され、横方向におけるベクトル結合が明らかになった。
• ポンププローブ技術を用いて、80–85 Hzのリアルタイムロックイン検出でキャビティ内光学的力場を直接測定した。
• 10個の隣接ピクセルの信号平均により、z軸方向に25 nmの空間分解能を達成し、1点あたり100 msの積分時間とした。
• システムは、最大で $ g_0^z/2\pi = 2.6\,\text{MHz} $ の単一光子結合強度を達成し、$ 100 \times \Omega_m/2\pi $ を超えた。また、パラメトリックコOPERATIVITY $ \mathcal{C}^{(1)} \approx 10 $ であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノワイヤをファイバーマイクロキャビティに組み込むことで、超強い光力学的結合を達成でき、1光子効果を実現できるか？
• RQ2 2次元空間で、光力学的結合のベクトル的性質をどのように実験的にマッピングできるか？
• RQ3 キャビティ内光学的力場の空間的構造は何か？また、キャビティモードプロファイルとどのように関係するか？
• RQ4 キャビティ内に1光子が存在する状態でも、静的光力学的非線形性をサポートできるか？
• RQ5 巨視的光力学的系において、1光子反動および量子非破壊測定を観測する可能性は何か？

主な発見

• システムは、$ g_0^z/2\pi = 2.6\,\text{MHz} $ の単一光子結合強度を達成し、$ g_0/\Omega_m > 100 $ に相当するため、超強い結合領域に深く進入している。
• パラメトリック結合強度 $ G_z $ は2次元マッピングされ、キャビティの腹節近傍で、大きな結合と強い光学的バックアクションが同時に観測された。
• キャビティ内光学的力場は25 nmの空間分解能で実験的にマッピングされ、節の近くでは反トラップ構造、腹節の近くではトラップ構造が観測された。
• ナノワイヤをモード体積から引き抜した際、測定された力場が消えることから、相互作用の空間的局在性が確認された。
• システムは、単一光子パラメトリックコープリティビティ $ \mathcal{C}^{(1)} \approx 10 $ をサポートしており、6 GHzのキャビティ線幅でさえも、1光子レベルでの静的非線形性を可能にした。
• 20 mKで冷却した場合、単一光子結合強度は $ \approx 7\,\text{MHz} $ に達し、静的変位は $ \delta x^{(1)} \approx 8000\,\delta x_{\rm zpf} $ に達する。これは熱雑音をはるかに上回る。