[論文レビュー] Injection locking of a levitated optomechanical oscillator for precision force sensing

Siamak Dadras, Robert M. Pettit+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2020

Mechanical and Optical Resonators参考文献 62被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、外部レーザーの共鳴的強度変調に、浮上したシリカナノスフィア光力学的オシレーターを注入ロックすることにより、約23 zN/√Hzの力感度を達成した。注入ロックを用いることで振動線幅を狭め、ノイズを低減することで、ゼプトニュートンスケールの高精度力測定が可能となり、短距離力やナノスケール系における光学的誘導相互作用の探査に適している。

ABSTRACT

We report on the injection locking of an optically levitated nanomechanical oscillator (a silica nanosphere) to resonant intensity modulations of an external optical signal. We explore the characteristic features of injection locking in this system, e.g. the phase pull-in effect and the injection-induced reduction of the oscillation linewidth. Our measurements are in good agreement with theoretical predictions and deepen the analogy of injection locking in levitated optomechanical systems to that in optical systems (lasers). By measuring the force noise of our feedback cooled free-running oscillator, we attain a force sensitivity of $\sim23~ m{zN}/\sqrt{ m{Hz}}$. This can readily allow, in fairly short integration times, for tests of violations of Newtonian gravity and searching for new small-scale forces. As a proof of concept, we show that the injection locking can be exploited to measure the forces optically induced on levitated nanoparticles, with potential applications in explorations of optical binding and entanglement between optically coupled nanomechanical oscillators.

研究の動機と目的

• 室温下の浮上した光力学的系において、注入ロックを用いてゼプトニュートン未満の力感度を達成すること。
• 浮上した光力学的系における注入ロックと、レーザーなどの光学系における注入ロックとの類似性を探ること。
• 注入ロックを用いた実用的手法により、ナノ粒子に作用する微小な光学的力を測定すること。
• 高Q、フィードバック冷却された浮上ナノスフィアを用いて、非ニュートン的重力および新しい小スケール力のテストを可能にすること。

提案手法

• 73.2 nmの半径、3.6 fgの質量を有するシリカナノスフィアを高真空中で光的に浮上させ、フィードバック冷却により有効温度23.9 mKに冷却した。
• 外部レーザーを機械的共鳴周波数（128 kHz）で強度変調し、コherentな信号をオシレーターに注入した。
• ナノスフィアの機械的振動を変調信号に位相ロックすることで注入ロックを達成し、線幅を狭め、信号対ノイズ比を向上させた。
• 移動量スペクトル密度とノイズ解析を用いて、システムの力感度を測定した。熱的ノイズ、散粒ノイズ、フィードバックノイズの寄与は、ランジュバン方程式の枠組みでモデル化された。
• DFTスペクトルの振幅増加と既知の力ノイズフロアを用いて、注入力のキャリブレーションを行い、定量的力測定を可能にした。
• 位相引き込みおよび線幅狭小化の理論的予測を、実験データと比較することで、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 浮上した光力学的オシレーターにおいて、注入ロックが力感度を向上させるために効果的に実装可能か。
• RQ2 高Qの浮上系において、注入ロックが機械的振動線幅をどの程度狭め、信号対ノイズ比を向上させるか。
• RQ3 自由運転状態と注入ロック状態におけるシステムの力感度は何か。ゼプトニュートンスケールに達するか。
• RQ4 注入ロックを用いて、浮上ナノ粒子に作用する微小な光学的力を測定可能か。
• RQ5 システムの性能は、注入ロックオシレーターの理論的モデルとどの程度一致するか。

主な発見

• システムは、自由運転状態（フィードバック冷却済み）で約23.12 zN/√Hzの力感度を達成した。主なノイズ寄与は散粒ノイズと熱的ゆらぎであった。
• 注入ロックにより、機械的振動線幅が顕著に狭まり、自由運転状態と比較してDFTスペクトルのピークが狭くなっていることが確認された。
• 測定された力ノイズは、t^(-1/2)のスケーリングに従い、確率的プロセスの期待される挙動を確認した。これにより、約300秒の積分時間で1 zN程度の力の検出が可能となった。
• DFT振幅の増加をキャリブレーションすることで、127 zNの注入光学的力が成功裏に測定され、センシングプロトコルの妥当性が裏付けられた。
• 注入ロック系における位相引き込みおよび線幅狭小化の理論的予測が、実験観測と良好に一致した。
• 中程度帯域幅において、1 zNレベルの力の検出が可能であると示され、非ニュートン的重力および短距離相互作用のテストに応用可能であることが示された。