[論文レビュー] Improving Cooling performance of the mechanical resonator with the two-level-system defects

Tian Chen, Xiang‐Bin Wang|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2014

Mechanical and Optical Resonators参考文献 32被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、光学力学的冷却における機械的共振子のデコherenceを抑制するため、周期的なσzパルスを用いる手法を提案している。TLS欠陥による悪影響を抑えるために、パルスによってTLS演算子の符号を反転させることで、時間の一次までにわたる欠陥-バスタイとの相互作用を排除する。これにより、さまざまな欠陥エネルギーギャップと減衰率においても効率的な冷却が可能となり、パルスを適用しない場合と比較して残留フォノン数が99%まで低減されることを示している。

ABSTRACT

We study cooling performance of a realistic mechanical resonator containing defects. The normal cooling method through an optomechanical system does not work efficiently due to those defects. We show by employing periodical $\sigma_z$ pulses, we can eliminate the interaction between defects and their surrounded heat baths up to the first order of time. Compared with the cooling performance of no $\sigma_z$ pulses case, much better cooling results are obtained. Moreover, this pulse sequence has an ability to improve the cooling performance of the resonator with different defects energy gaps and different defects damping rates.

研究の動機と目的

• 光学力学的システムにおける冷却効率の低下を引き起こすTLS欠陥の課題に対処すること。
• 機械的共振子における欠陥由来の熱雑音を軽減する制御戦略を開発すること。
• 異なる欠陥エネルギーギャップと減衰率において、改善された冷却性能を実証すること。
• 周期的なσzパルスが、時間の一次までにわたる欠陥-バスタイ結合を効果的に抑制するかを検証すること。

提案手法

• σ−およびσ+演算子の符号を反転させるために、周期的なσzパルスを適用し、TLS欠陥とその熱浴との相互作用を効果的に逆転させる。
• 極小子二重項に基づくマスター方程式を用いて、結合したTLS-共振子系のダイナミクスをモデル化する。
• キャビティモード、機械的共振子、TLS、および結合定数g、λ、γを有する3つの独立した熱浴を含む総ハミルトニアンをモデル化する。
• 時間平均化された有効ハミルトニアンを導入し、ダイナミカルデカップリングによって一次の欠陥-バスタイ結合を排除する。
• 極小子に基づくマスター方程式の結果と、裸の共振子マスター方程式に直接欠陥項を加えた「シンプルな手法」とを比較する。
• 数値シミュレーションを実施し、欠陥減衰率γτおよびパルス数Nの関数としてフォノン占有数⟨nosc⟩を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周期的なσzパルスは、TLS欠陥が機械的共振子の冷却に与える悪影響を効果的に抑制できるか？
• RQ2 異なる欠陥エネルギーギャップ（ωz/ωm）において、冷却性能はどのように変化するか？
• RQ3 欠陥減衰率（γτ）がσzパルスの存在下で残留フォノン数にどのように影響するか？
• RQ4 極小子に基づくマスター方程式と「シンプルな手法」のマスター方程式は、冷却予測を一貫して得るか？
• RQ5 最小の残留フォノン占有数を達成するための最適なσzパルス数（N）は何か？

主な発見

• N = 99のσzパルスを適用した場合、欠陥減衰率γτが10−6から10−5の間にあると、残留フォノン数⟨nosc⟩は約0.004にまで低下する。
• ωz/ωm = 0.95（近共振状態）の場合、γτが小さい場合でも冷却は効果的であり、N = 99のとき⟨nosc⟩ ≈ 0.004となる。
• ωz/ωm = 0.60（非共振状態）の場合、パルスなしでは冷却が不効果（⟨nosc⟩ > 0.01）であるが、N = 99のパルスを適用することで⟨nosc⟩が0.004未満にまで低下する。
• 極小子に基づくマスター方程式と「シンプルな手法」のマスター方程式は、冷却の傾向は定性的に類似しているが、予測されるフォノン数において定量的に差異を示す。
• 本手法は、さまざまな欠陥エネルギーギャップと減衰率に対して頑健であり、広範な適用可能性を示している。
• パルス列は、時間の一次までにわたる欠陥-バスタイ結合を効果的に抑制し、冷却性能の顕著な向上を実現している。