[論文レビュー] Electromagnetically induced transparency and optical memories in an optomechanical system with $N$ membranes

Sumei Huang, Mankei Tsang|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2014

Mechanical and Optical Resonators被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ファブリ・ペロー共振器内にN個のほぼ簡約な膜を有するマクロなオプトメカニカル系を提案し、複数の電磁誘起透明性（EIT）窓と制御可能な光記憶を実現する。強い結合場を印加することで、放射圧に起因する機械的励起を介して、複数周波数で同時にプローブパルスの記録と再生が可能な、最大N個の透過窓と、調整可能な負の群速度を示す。

ABSTRACT

We study the propagation of a weak probe field through an optomechanical system in which $N$ nearly degenerate mechanical membranes are inside a Febry-Perot cavity, and couple dispersively to an intracavity field. We derive a general analytical expression for the output probe field. We show that the in-phase quadrature of the output probe field can exhibit multiple electromagnetically induced transparency with at most $N$ narrow transparency windows. We find that the superluminal light can be achieved with at most $N$ different negative group velocities at the transparency windows. Moreover, by using a time-dependent strong coupling pulse, we numerically simulate the storage and retrieval of a weak Gaussian-shaped probe pulse in an optical cavity with two nearly degenerate mechanical resonators.

研究の動機と目的

• マクロなオプトメカニカル系にN個の膜を用いた複数の電磁誘起透明性（EIT）を実証すること。
• 効果的オプトメカニカル結合強度を用いて群速度（負値を含む）を制御することの調査。
• N個の膜のモードを用いて、複数周波数で同時にプローブパルスの光学的記憶を可能とすること。
• 原子系に限らない、スケーラブルで室温で動作するオプトメカニカルプラットフォームへのEIT様現象および光記憶機能の拡張。
• キャビティオプトメカニクスにおける機械的共鳴を用いたマルチチャネル量子情報処理の理論的枠組みの提供。

提案手法

• 放射圧による結合を有するN個の損失のない膜を有するファブリ・ペロー共振器をモデル化し、キャビティ周波数が膜の変位に線形に依存するように設定。
• キャビティおよび機械的モード演算子の線形化された運動方程式を用いて、出力プローブ場の一般解析的表現を導出。
• 複数の機械的モード間の量子干渉を誘発するため、強い結合場を適用してEIT様挙動を実現。
• 時間依存の結合パルス（書き込みおよび読み出し）を用いて、プローブパルスエネルギーを機械的励起に転送し、再び光学的状態に戻すことで、光記憶を実現。
• 減衰、結合強度、レーザー出力などの実際のパラメータを用いて、2膜系におけるパルスの記録および再生を数値的にシミュレート。
• EIT深度における群速度および分散を分析し、超光速および負の群速度領域を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 N膜オプトメカニカル系は最大N個の異なる電磁誘起透明性窓を支持できるか？
• RQ2 効果的オプトメカニカル結合強度は、透明窓のバンド幅および群速度にどのように影響するか？
• RQ3 複数周波数で同時に制御可能な負の群速度を達成できるか？
• RQ4 2膜オプトメカニカルキャビティを用いて、2つの異なる周波数でプローブパルスの記録と再生が可能か？
• RQ5 時間依存の結合パルスは、光学的自由度と機械的自由度間のエネルギー転送を可逆的に可能にする役割を果たすか？

主な発見

• N個のほぼ簡約な機械的モード間の量子干渉により、プローブ透過スペクトルに最大N個の明確な透過窓が観測された。
• EIT窓のバンド幅は、効果的オプトメカニカル結合強度に比例して増大し、周波数分解能を調整可能にした。
• 最大N個の異なる周波数で負の群速度が達成され、その値は−c/14400にまで低下し、制御可能な超光速挙動を示した。
• 数値的シミュレーションにより、書き込みパルスを印加することで、2つの膜の機械的励起にガウス型プローブパルスを同時に記録できることを確認した。
• 別個の読み出しパルスを用いて、上変換により記録されたパルスが回復され、6 msの記録期間にわたり回復効率が示された。
• 記録中、正規化された機械的励起強度が顕著な値（例：プローブパワーの約10％）に達し、効果的なエネルギー転送が確認された。