[論文レビュー] Detecting Thermal Acoustic Radiation with an Optomechanical Antenna

Robinjeet Singh, Thomas Purdy|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2019

Mechanical and Optical Resonators被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、遠く離れたマクロな熱浴（音響ブラックボディ）からの熱的音響放射をシリコンナイトライド膜光学力学的共鳴子が検出可能であることを示している。ナノメカニカルモードの温度を局所的材料温度から分離することで、高精度な温度計測とフォトアコースティック画像化が可能となり、量子光学力学系における自己加熱を抑制する道筋が示された。

ABSTRACT

Nanomechanical systems are generally embedded in a macroscopic environment where the sources of thermal noise are difficult to pinpoint. We engineer a silicon nitride membrane optomechanical resonator such that its thermal noise is acoustically driven by a spatially well-defined remote macroscopic bath. This bath acts as an acoustic blackbody emitting and absorbing acoustic radiation through the silicon substrate. Our optomechanical system acts as a sensitive detector for the blackbody temperature and for photoacoustic imaging. We demonstrate that the nanomechanical mode temperature is governed by the blackbody temperature and not by the local material temperature of the resonator. Our work presents a route to mitigate self-heating effects in optomechanical thermometry and other quantum optomechanics experiments, as well as acoustic communication in quantum information.

研究の動機と目的

• ナノメカニカル系において、遠く離れたマクロな熱浴からの熱的音響放射を分離して検出すること。
• 光学力学的温度計測における自己加熱効果の課題を、機械的モード温度を局所的材料温度から分離することで解決すること。
• ナノメカニカルモードの温度が、共鳴子の局所的温度ではなく、音響的熱浴のブラックボディ温度に支配されることを実証すること。
• 自己加熱を低減することで、量子光学力学系および音響通信への応用を可能とすること。

提案手法

• 遠く離れたマクロな熱浴との音響的結合を調整したシリコンナイトライド膜を、光学力学的共鳴子として設計した。
• 熱浴と共鳴子間の音響放射を伝える波ガイドとして、シリコン基板を用いた。
• 遠く離れた熱浴を音響的ブラックボディ発光体および吸収体として取り扱った。
• 光学的読み出しを用いて機械的モード温度をモニタリングし、ブラックボディ温度と相関をとった。
• 熱浴温度を変化させた際のシステム応答を測定し、局所的加熱よりも熱放射が支配的であることを確認した。
• 機械的モード温度が共鳴子の局所的温度ではなく、ブラックボディ温度に追従することを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノメカニカル系は、遠く離れたマクロな熱浴からの熱的音響放射を検出可能か？
• RQ2 機械的モード温度は、熱浴のブラックボディ温度にどの程度依存するか、それとも局所的材料温度に依存するか？
• RQ3 自己加熱を低減するために、音響的ブラックボディ放射を利用できるか？
• RQ4 本システムはフォトアコースティック画像化および量子音響通信に適しているか？

主な発見

• ナノメカニカルモードの温度は、共鳴子の局所的温度ではなく、遠く離れた音響的ブラックボディ熱浴の温度に支配されている。
• システム内の熱雑音は、主に局所的熱揺らぎではなく、遠く離れた熱浴からの音響放射によって駆動されている。
• 光学力学的システムはブラックボディ温度に非常に感度が高く、高精度な温度計測が可能である。
• ブラックボディ熱浴を通じてサンプルから放出される音響放射を検出することで、フォトアコースティック画像化が可能である。
• 光学力学的実験における自己加熱効果は、機械的モードを局所的熱源から分離することで低減できる。
• 本結果は、設計されたブラックボディ放射を用いた量子情報系における音響通信への道筋を示している。