[論文レビュー] Experimentally Feasible Dynamical Casimir Effect in Parametrically Amplified Cavity Optomechanics

Wei Qin, Vincenzo Macrí+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2019

Mechanical and Optical Resonators被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、キャビティオプトメカニクスにおいて、ずれたパラメトリック駆動を用いてキャビティモードをスクリーチングし、機械モードとスクリーチングされたモードとの間で共鳴的でパラメトリックな結合を実現することで、実験的に実現可能な方法でダイナミカル・カシミール効果（DCE）を観測することを提案する。DCEは、音響子が吸収され、光子対がアンチストokes側帯に散乱される機械的誘発二光子ハイパー・ラーマン散乱として実現され、極めて小さなスクリーチングでさえも効果を増幅可能であるため、超高速鏡速度や超強結合の必要性を回避する。

ABSTRACT

To observe the dynamical Casimir effect (DCE) induced by a moving mirror is a long-standing challenge because the mirror velocity needs to approach the speed of light. Here, we present an experimentally feasible method for observing this mechanical DCE in an optomechanical system. It employs a detuned, parametric driving to squeeze a cavity mode, so that the mechanical mode, with a typical resonance frequency, can parametrically and resonantly couple to the squeezed cavity mode, thus leading to a resonantly amplified DCE in the squeezed frame. The DCE process can be interpreted as {\it mechanically-induced two-photon hyper-Raman scattering} in the laboratory frame. Specifically, {\it a photon pair} of the parametric driving absorbs a single phonon and then is scattered into an anti-Stokes sideband. We also find that the squeezing, which additionally induces and amplifies the DCE, can be extremely small. Our method requires neither an ultra-high mechanical-oscillation frequency (i.e., a mirror moving at nearly the speed of light) nor an ultrastrong single-photon optomechanical coupling and, thus, could be implemented in a wide range of physical systems.

研究の動機と目的

• 従来の設定において鏡の速度が光速に近づく必要があるため、長年の実験的課題である機械的系におけるダイナミカル・カシミール効果（DCE）の観測に取り組むこと。
• 現在の実験的プラットフォームでは現実的でない超高周波数の機械振動数や超強いオプトメカニカル結合を回避するための実現可能な代替手法を開発すること。
• パラメトリック駆動とキャビティモードのスクリーチングを通じて、実験的に実現可能な方法でDCEの共鳴的増幅を可能にすること。
• 実験的フレームでDCEプロセスを、機械的誘発二光子ハイパー・ラーマン散乱として再解釈することで、新たな物理的視点を提供すること。

提案手法

• ずれたパラメトリック駆動を用いてキャビティモードに量子的スクリーチングを生成し、有効なオプトメカニカル結合を変化させる。
• 通常の共振周波数を持つ機械モードを用い、スクリーチングされたキャビティモードと共鳴的に結合させ、DCEプロセスのパラメトリック増幅を可能にする。
• スクリーチングされたフレームで系を分析し、機械モードとスクリーチングされたモードの共鳴的相互作用によりDCEが増幅されることを示す。
• 実験的フレームでDCEを二光子ハイパー・ラーマン散乱プロセスとして再解釈する：駆動場からの光子対が1つの音響子を吸収し、アンチストokes側帯に散乱される。
• 極めて小さなスクリーチングでもDCEが顕著に増幅されることを示し、強スクリーチングや高鏡速度の必要性を低減する。
• 標準的なオプトメカニカル部品とパラメータに依存しているため、超伝導回路やナノメカニカル共振器を含む多様な物理系に応用可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鏡の速度が光速に近づく必要がない条件下で、機械的オプトメカニカル系においてダイナミカル・カシミール効果を観測できるか？
• RQ2 パラメトリック駆動とキャビティモードのスクリーチングが、実験的に実現可能な方法でDCEをどのように増幅するか？
• RQ3 系がスクリーチング状態にある場合、実験的フレームでDCEプロセスの物理的解釈はどのように変わるか？
• RQ4 強い結合や高周波振動を必要としない弱いスクリーチングのみで、DCEをどの程度まで増幅できるか？

主な発見

• 機械モードとスクリーチングされたキャビティモードの間のパラメトリック結合により、スクリーチングされたフレームでDCEが共鳴的に増幅される。
• 実験的フレームでは、DCEプロセスは、音響子が吸収され、光子対がアンチストokes側帯に散乱される機械的誘発二光子ハイパー・ラーマン散乱と物理的に同等である。
• 極めて小さなスクリーチングレベルでもDCEが顕著に増幅され、観測の実験的閾値が低下する。
• 本手法は、超高速の機械振動周波数や超強い単一光子オプトメカニカル結合を必要としないため、現在の実験的プラットフォームで実現可能である。
• 標準的なオプトメカニカル部品に依存しているため、超伝導回路やナノメカニカル共振器を含む多様な物理系に広く適用可能である。