[論文レビュー] Emitter-Optomechanical Interaction in Ultra-High-Q hBN Nanocavities

Chenjiang Qian, Viviana Villafañe+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、電荷を帯びたボロン空位（V_B⁻）中心を有する超高Q（Q > 10⁴）の六方晶窒化ホウ素（hBN）ナノキャビティにおいて、フォノン駆動の発光体-オプトメカニカル結合を実証した。空間的に局在した光励起分光法およびラーマン分光法を用いて、キャビティの機械的モードが内在する電子-フォノン結合を通じて非対称なスペクトル線形状およびフォノンポラリトンを誘発することを明らかにした。特に、Q > 10⁴のときのみ顕著な非対称性が観測され、これはジャインズ＝カミンズモデルを超える、スピン、光子、フォノンの間の新規なハイブリッド量子インターフェースの存在を確認するものである。

ABSTRACT

Integrating quantum emitters into nanocavities which simultaneously couple to the photonic and mechanical modes is critical for interfacing electron spins, photons and phonons in the cavity QED system. Here, we investigate the interaction between the charged boron vacancy $V_B^-$, ultra-high-Q ($\sim10^5$) cavity photonic modes and local phonon modes. A pronounced asymmetry is observed in the emission spectrum for cavities with Q-factor above a threshold of 10$^4$. Similar asymmetries are not observed for cavities without $V_B^-$ centers. To explain our findings, we model the system with phonon-induced light-matter coupling based on $V_B^-$ centers, and compare to the Jaynes-Cummings model for usual emitters. Our results reveal that the multipartite interplay arises during the light-matter coupling of $V_B^-$ centers, illustrating that it is phonon-induced, rather than being caused by thermal population of phonon modes. Such emitter-optomechanical interaction between different photon ($V_B^-$ emission, cavity photonic) and phonon ($V_B^-$ phonon, cavity mechanical) modes provides a novel system to interface spin defects, photons and phonons in condensed matters.

研究の動機と目的

• ナノキャビティにおける量子発光体、光モード、および機械的振動の相互作用を調査すること。
• V_B⁻中心におけるフォノン駆動の光物質結合が、標準的なジャインズ＝カミンズモデルを超えるオプトメカニカル効果を引き起こすかどうかを調査すること。
• スピン、光子、フォノンが内在する電子-フォノン相互作用を通じてコherentに結合するハイブリッド量子系を確立すること。
• 共鳴励起を用いたキャビティオプトメカニクスにより、V_B⁻発光およびフォノンモードを制御することを実証すること。

提案手法

• 30 keVのN⁺イオン線照射を用いて、局在的なV_B⁻中心を有する超高Q（Q ~ 10⁵）のhBN/Si₃N₄ナノビームキャビティを作製した。
• キャビティ全体における発光およびフォノンモードをマップするために、空間的に局在した光励起分光法（PL）およびラーマン分光法を実施した。
• キャビティ光モード（731 nm）に合わせて調整した共鳴連続波レーザー励起（532 nm、~1 MHz帯域幅）を用い、オプトメカニカル結合をプローブした。
• フォノン駆動の光物質結合に基づく数値モデルを構築し、標準的なジャインズ＝カミンズモデルと対比した。
• PLおよびラーマンピークの位置依存シフトを相関させることで、機械的モード結合に起因する反交叉およびフォノンポラリトンの特定を行った。
• PL線形状におけるスペクトル非対称性をキャビティQ要因の関数として分析し、Q ≈ 10⁴における閾値を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高QのhBNナノキャビティにV_B⁻中心が存在する場合、光モードと機械的モードの間で観測可能なオプトメカニカル結合が生じるか？
• RQ2 観測された発光線形状の非対称性は、フォノン駆動の光物質結合に起因するものであり、熱的フォノン集団に起因するものではないか？
• RQ3 キャビティの機械的モードが、キャビティ光子とV_B⁻フォノンの間の結合を媒介できるか？これは非対称なラーマン強度増幅によって裏付けられるか？
• RQ4 キャビティのQ要因が、この系におけるオプトメカニカル効果の出現にどのように影響するか？
• RQ5 PLおよびラーマンスペクトルにおける反交叉特徴が、フォノンポラリトンの形成をどの程度確認できるか？

主な発見

• キャビティQ要因が約10⁴を超えるとき、光励起分光法の線形状に顕著なスペクトル非対称性が現れ、オプトメカニカル結合の閾値を示している。
• V_B⁻中心を有さないキャビティでは非対称性が観測されないため、その起源が発光体-オプトメカニカル相互作用に起因することを確認した。
• PLおよびラーマンスペクトルにおける観測されたスペクトル特徴および反交叉は強く相関しており、V_B⁻と機械的モードが結合したフォノンポラリトンの形成を示している。
• 共鳴励起により、V_B⁻フォノンラーマンピークが非対称に増幅されることが判明した：青方デチューニング（加熱）では10倍以上強く、赤方デチューニング（冷却）では弱く、機械的モードを介した結合が示されている。
• Si₃N₄フォノンピークの増幅は対称的で弱く（約10％）、キャビティ光子がSi₃N₄フォノンに直接結合しており、機械的モードの媒介なしに発生していることを確認した。
• 実験データはフォノン駆動の光物質結合モデルにより良好に記述できるが、標準的なジャインズ＝カミンズモデルの予測とは一致せず、内在する電子-フォノン結合の役割を確認した。