[論文レビュー] Cooling a Mechanical Resonator with a Nitrogen-Vacancy Center Ensemble Using a Room Temperature Excited State Spin-Strain Interaction

E. R. MacQuarrie, Matthew Otten+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2016

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、室温下の窒素空孔（NV）中心集団を用いて、未だ特徴付けられていなかった励起状態スピン歪み相互作用を通じて機械的共振子を散逸冷却するプロトコルを提案する。著者らは、この相互作用が基底状態の結合よりも13.5±0.5倍強いことを実験的に測定し、理論的に密度の高いNV集団が高Q共振子を室温から準熱的フォノン占有数以下まで冷却できることを示した。これにより、常温下での量子制御が可能になる。

ABSTRACT

We propose a protocol to dissipatively cool a room temperature mechanical resonator using a nitrogen-vacancy (NV) center ensemble. The spin ensemble is coupled to the resonator through its orbitally-averaged excited state, which has a spin-strain interaction that has not been previously characterized. We experimentally demonstrate that the spin-strain coupling in the excited state is $13.5\pm0.5$ times stronger than the ground state spin-strain coupling. We then theoretically show that this interaction combined with a high-density spin ensemble enables the cooling of a mechanical resonator from room temperature to a fraction of its thermal phonon occupancy.

研究の動機と目的

• 室温下で集団スピン相互作用を用いて機械的共振子を準熱的フォノン占有数まで冷却する手法を開発すること。
• NV中心の励起状態（ES）における未測定のスピン歪み結合を特徴付け、基底状態（GS）の結合と比較すること。
• 励起状態スピン歪み相互作用が、コherenecの劣化を伴わずに密度の高いNV集団における集団的増幅を可能にすることを示すこと。
• 長時間のスピンコherenecが不要な散逸冷却プロトコルを提案・分析すること。
• 高Q機械的共振子が、このメカニズムを用いて室温からその熱的フォノン占有数の一部まで冷却可能であることを示すこと。

提案手法

• 著者らは磁気分光法を用いてNV中心の励起状態におけるスピン歪み結合強度を測定し、基底状態の結合よりも13.5±0.5倍強いことが判明した。
• ハイブリッド系のモデル化には、NVスピンが歪み、磁場、光学励起と相互作用するハミルトニアンを用い、主な結合は励起状態における $ d_{\perp}^e $ である。
• 機械的共振子とNV集団との有効結合は $ \lambda_{\text{eff}} = G_0 \sqrt{t}/l $ として導出され、ここで $ G_0 = d_{\perp}^e \sqrt{\hbar \kappa_0 \alpha \rho / E} $ であり、歪み分布と集団密度を考慮している。
• 静的な磁場バイアスを用いて共鳴を調整し、GHz周波数の磁場 $ \Omega_{\text{mag}} $ を用いてスピン遷移を駆動し、連続的な光学ポンプ $ \Gamma_{\text{opt}} $ を用いて系をリセットする散逸冷却プロトコルを提案した。
• プロトコルは、スピン歪み相互作用を通じて機械モードに結合する $ |g,-1\rangle $ 状態への励起状態への遷移に依存し、散逸過程を通じてエネルギーを抽出可能である。
• 理論的解析により、$ \Omega_{\text{mag}}/2\pi = 60 $ MHz および $ \Gamma_{\text{opt}} = 130 $ MHz の条件下で、冷却に参加する集団の割合は $ \alpha \sim 0.017 $ に飽和し、効果的な冷却が可能であることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NV中心の励起状態におけるスピン歪み結合は、基底状態よりも強いのか、室温下で実験的に測定可能なのか。
• RQ2 励起状態におけるNV中心の密度の高い集団が、機械的共振子への集団的結合を維持できる程度のコherenecを保っているのか。
• RQ3 励起状態スピン歪み相互作用を用いた散逸冷却プロトコルが、低温冷却を要せず室温下の機械的共振子を準熱的フォノン占有数まで冷却可能なのか。
• RQ4 冷却速度を最大化し、デコherenec効果を最小限に抑えるために最適な制御場（磁場および光学）は何か。
• RQ5 機械モード周波数および共振子の幾何形状が、達成可能な結合強度および冷却効率に与える影響は何か。

主な発見

• NV中心の励起状態におけるスピン歪み結合は、実験的に $ 13.5 \pm 0.5 $ 倍の強さであることが測定され、冷却用途における顕著な強化が確認された。
• 励起状態スピン歪み相互作用は、NV中心密度に対して頑健であり、コherenec時間は集合体の不均一性ではなく運動的狭義化に制限されるため、集団的増幅が可能である。
• 共振子とNV集団との有効結合強度は $ \lambda_{\text{eff}} = G_0 \sqrt{t}/l $ であり、$ G_0 $ は材料パラメータと歪み分布に依存する。
• $ \Omega_{\text{mag}}/2\pi = 60 $ MHz および $ \Gamma_{\text{opt}} = 130 $ MHz の条件下で、冷却に参加する集団の割合は $ \alpha \sim 0.017 $ に達し、高磁場強度で飽和する。
• 理論的解析により、室温下の高Q機械的共振子が、このプロトコルを用いてその熱的フォノン占有数の一部まで冷却可能であることが確認された。
• 基本モードと高次モードとの間のスペクトル的分離は十分であり、約170 MHzのライン幅を持つため、クロストークの最小限に抑えられる。