[論文レビュー] Characterization of a double torsion pendulum used to detect spin-induced torque based on Beth's experiment

Runa Yasuda, A. Hatakeyama|arXiv (Cornell University)|May 13, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 14被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、10⁴秒の測定時間において2×10⁻¹⁷ N·mの光子スピン由来のトルク感度を達成する二重ねじり振動子系を提示している。熱雑音限界に近い性能を実現した。偏光変調を施した円偏光光を用いた強制ねじり振動により、1光子あたりħの角運動量の転送が確認され、1936年にベスが行った実験の現代的再現が、感度と受動的振動遮断の両面で向上して裏付けられた。

ABSTRACT

We characterized a double torsion pendulum system, including measurements of the photon-spin-induced torque. Our experimental strategy was similar to that used in Beth's experiment, which was performed in 1936 to measure photon-spin-induced torque using forced oscillation caused by polarization modulation of light incident on a suspended object. Through simple passive isolation of the suspended object from external vibration noise, the achieved torque sensitivity was 2 x 10^{-17} N m in a measurement time of 10^4 s, which is close to the thermal noise limit and one order smaller than the minimum torque measured in Beth's experiment. The observed spin-induced torque exerted on the light-absorbing optics is consistent with the angular momentum transfer of hbar per photon.

研究の動機と目的

• 光子スピン由来トルクを検出する高感度ねじり振動子系の開発を目的とする。
• 受動的ノイズ遮断を施した現代的強制振動法を用いて、ベスの1936年実験を再現する。
• 円偏光光が吸収体に与える角運動量転送ħを1光子あたり測定する。
• 観測されたトルクが、放射圧や他の雑音的要因ではなく、光子スピン由来であることを確認する。
• 原子ガスから固体へのスピン転送に関する今後の研究に、二重振動子を応用可能であることを示す。

提案手法

• 環境ノイズ低減のため、第1段階が受動的振動遮断として機能する二重ねじり振動子を採用した。
• 赤外レーザーと位置検出型センサー（PSD）を用い、光学レバーによる角度測定を実施し、dφ = dx/(2L)の関係を適用した。
• 852 nmのレーザーを用い、液晶可変遅延素子（LCVR）を介して偏光を変調し、光子スピンを+ħから-ħへ周期的に反転させた。
• 振動子の共鳴周波数（0.11 Hz）で強制ねじり振動を励起し、位相検波による四元数成分を用いた信号抽出を実施した。
• 式（3）を用い、測定された四元数成分の不確実性と系パラメータ（Q、ωR、I）からトルク感度を計算した。
• 熱雑音限界をNther = π/4 × √(4kBTIωR/(Q∆t))として推定し、実験的感度と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重ねじり振動子系は、光子スピン由来トルク検出において、熱雑音限界に近いトルク感度を達成できるか？
• RQ2 円偏光光から1光子あたりħの角運動量転送が予想される場合、吸収フィルターに観測されたトルクはその期待値と整合的か？
• RQ3 測定されたトルクは主に光子スピン由来であるか、放射圧やラジオメーター効果による寄与は顕著か？
• RQ4 二重振動子構造による受動的遮断は、ベスの元来の設定と比較して感度をどのように向上させるか？
• RQ5 10⁴秒の積分時間において、この系は10⁻¹⁷ N·mレベルのスピン由来トルクを信頼性高く検出可能か？

主な発見

• 10⁴秒の測定時間におけるトルク感度は2×10⁻¹⁷ N·mであり、熱雑音限界（2×10⁻¹⁷ N·m）に近い値であった。
• NDフィルターに観測された光子スピン由来トルクは、左円偏光光からの角運動量転送ħ/光子と整合的であった。
• トルクの偏光依存性は、伝搬方向に沿った光子スピン成分と線形関係にあり、スピン由来の妥当性が裏付けられた。
• 放射圧トルク寄与は1×10⁻¹⁸ N·mと推定され、偏光変化に起因する観測トルク変動（1×10⁻¹⁶ N·m）に比べて無視できるほど小さい。
• 10⁴秒測定における四元数成分の不確実性0.1 µradは、トルク検出不確実性2×10⁻¹⁷ N·mに相当し、熱雑音限界と一致した。
• 本系は、受動的遮断と位相検波検出を用いて、ベスの1936年実験の現代的で高感度な再現に成功した。