[論文レビュー] Long-lived guided phonons in fiber by manipulating two-level systems

Ryan O. Behunin, Prashanta Kharel+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2015

Optical Network Technologies参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、強力な音響ビームを用いることで、ケイ酸ガラス繊維内の二準位トンネル状態（TLSs）を光学的透明状態に駆動できることを示している。1.1 Kで、TLSのフォノン散乱への寄与が最大45倍まで抑制される。密着した光・フォノン波ガイドにおけるクロスサチュレーションを活用することで、フォノンQファクターは12,000を超え、減衰長は1 mmを超える。これは、最も長いフォノン寿命においてレイリー散乱が主な損失機構であることを示している。

ABSTRACT

The synthesis of ultra-long lived acoustic phonons in a variety of materials and device geometries could enable a range of new coherent information processing and sensing technologies; many forms of phonon dissipation pose a barrier to this goal. We explore linear and nonlinear contributions to phonon dissipation in silica at cryogenic temperatures using fiber-optic structures that tightly confine both photons and phonons to the fiber-optic core. When immersed in helium, this fiber system supports nearly perfect guidance of 9 GHz acoustic phonons; strong electrostrictively mediated photon-phonon coupling (or guided-wave stimulated Brillouin scattering) permits a flexible form of laser-based phonon spectroscopy. Through linear and nonlinear phonon spectroscopy, we isolate the effects of disorder-induced two-level tunneling states as a source of phononic dissipation in this system. We show that an ensemble of such two-level tunneling states can be driven into transparency--virtually eliminating this source of phonon dissipation over a broad range of frequencies. Experimental studies of phononic self-frequency saturation show excellent agreement with a theoretical model accounting for the phonon coupling to an ensemble of two-level tunneling states. Extending these results, we demonstrate a general approach to suppress dissipation produced by two-level tunneling states via cross-saturation, where the lifetime of a phonons at one frequency can be extended by the presence of a high intensity acoustic beam at another frequency. Although these studies were carried out in silica, our findings are quite general, and can be applied to a range of materials systems and device geometries.

研究の動機と目的

• 低温ケイ酸ガラス繊維における不規則性由来の二準位トンネル状態（TLSs）がフォノン散乱に与える寄与を分離・制御すること。
• 強力なレーザー励起を用いてTLSが透明状態に駆動され、その散乱的寄与が抑制されることを実証すること。
• 異なる音響モード間のクロスサチュレーションを用いてフォノン寿命を延長する一般的な手法を開発すること。
• 低温条件下における超長寿命フォノン系における主な損失機構を特定すること。
• 多様な材料およびデバイス幾何形状に適用可能なスケーラブルなフレームワークを提供すること。

提案手法

• フォトンとフォノンをコア内で強く閉じ込めた繊維光学プラットフォームを用い、強い電磁歪みフォノン-フォトン結合を実現した。
• mWレベルの光学出力で非侵襲的に9.2 GHzのガイドフォノンを励起・プローブするフォノン分光法を採用した。
• 線形および非線形分光法を用いて、TLSの密度、結合強度、緩和時間などのパラメータを抽出した。
• 離散的TLS和をエネルギーおよびトンネル分裂の連続的積分に変換するためのエルゴディック仮説を用いた。
• TLS-フォノン結合のスピンボソンモデルを用いて、共鳴および緩和誘発減衰率（Γ_resおよびΓ_rel）の解析的表現を導出した。
• 特定周波数で高強度の音響ビームを印加することで、別の周波数での散乱を抑制するクロスサチュレーションを導入した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二準位トンネル状態（TLSs）は、低温ケイ酸ガラス繊維におけるフォノン散乱にどの程度支配的か？
• RQ2 強力な場励起によってTLSの散乱が抑制可能か。そのメカニズムは何か？
• RQ3 クロスサチュレーションは、TLS誘発損失の相互抑制を通じてフォノン寿命をどのように延長するか？
• RQ4 最も長いフォノンコherenve時間において、TLSとレイリー散乱のどちらが主な損失機構か？
• RQ5 本手法は、異なる材料および波ガイド幾何形状に一般化可能か？

主な発見

• 二準位トンネル状態（TLSs）は、低温ケイ酸ガラス繊維におけるフォノン散乱の主要因であることが特定され、強力な場励起により最大45倍までその寄与が抑制された。
• フォノンQファクターは12,000を超えており、1 mmを超える減衰長を達成した。これは、ほぼ理想に近いガイドフォノン伝播を示している。
• クロスサチュレーションが実験的に実証され、ある周波数で高強度の音響ビームを印加することで、別の周波数のフォノン寿命が延長された。
• フォノン自己周波数サチュレーション測定値は、TLSアンサンブルダイナミクスを組み込んだ理論モデルと良好に一致した。
• 最も観測されたフォノン寿命において、レイリー散乱がTLSの寄与を上回り、主な損失機構であることが特定された。
• 理論的フレームワークは、サチュレーションの臨界強度をうまく予測しており、臨界強度は最小TLS緩和時間（τ_min）に反比例することが示された。