[論文レビュー] Low-dissipation cavity optomechanics in single-crystal diamond

Matthew Mitchell, Behzad Khanaliloo+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、単結晶ダイヤモンド内に低散逸性キャビティオプトメカニカルデバイスを実現し、2 GHzの機械的共振モードを達成することで、Qm > 9000 かつ Qm·fm ≈ 1.9×10¹³ を達成し、室温下での単一フォノンコherenecと、放射圧駆動による約31 pmの自己発振を可能にした。これにより、色中心の電子スピンを共鳴的に制御できる。

ABSTRACT

Single-crystal diamond cavity optomechanical devices are a promising example of a hybrid quantum system: by coupling mechanical resonances to both light and electron spins, they can enable new ways for photons to control solid state qubits. However, creating devices from high quality bulk diamond chips is challenging. Here we demonstrate single-crystal diamond cavity optomechanical devices that can enable photon-phonon-spin coupling. Cavity optomechanical coupling to $2\, ext{GHz}$ frequency ($f_ ext{m}$) mechanical resonances is observed. In room temperature ambient conditions, the resonances have a record combination of low dissipation ($Q_ ext{m} > 9000$) and high frequency, with $Q_ ext{m}\cdot f_ ext{m} \sim 1.9 imes10^{13}$ sufficient for room temperature single phonon coherence. The system is nearly sideband resolved, and radiation pressure is used to excite $\sim 31\, ext{pm}$ amplitude mechanical self-oscillations that can drive diamond color centre electron spin transitions.

研究の動機と目的

• 光子、フォノン、および電子スピンの間でハイブリッド量子結合を実現できる高品質な単結晶ダイヤモンドキャビティオプトメカニカルシステムの開発。
• 室温下での量子コherenecを実現するため、高周波数機械的共振モードにおける低機械的散逸（高Qm）の達成。
• 放射圧によって駆動される十分に強いフォノン-光子結合を示し、それによって機械的自己発振を駆動し、色中心の電子スピンを共鳴的に制御することの実証。
• 環境条件下でのバルクダイヤモンドにおけるサイドバンド分解能を有するオプトメカニカル結合の実現。

提案手法

• 高品質なバルクダイヤモンド基板を用いた単結晶ダイヤモンドキャビティオプトメカニカルデバイスのプロセス。
• 光学キャビティ結合を介して放射圧を用いて機械的共振モードを励起。
• 高ファインネスの光学キャビティを用いて、2 GHzの機械モードへのほぼサイドバンド分解能の結合を達成。
• 環境条件下で室温下での機械的品質因子Qm > 9000を測定。
• 光学読み出しを用いて機械的変位振幅を測定し、約31 pmの自己発振を達成。
• 機械的振動とダイヤモンド色中心の電子スピンとの間の共鳴結合の実証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境条件下で単結晶ダイヤモンドキャビティにおいて、低散逸性かつ高周波数の機械的共振モードを達成できるか？
• RQ2 ダイヤモンドにおけるフォノン-光子結合が、放射圧によって測定可能な機械的自己発振を駆動するのに十分に強いか？
• RQ3 観測された機械的振動が、ダイヤモンド色中心の電子スピンを共鳴的に制御できるか？
• RQ4 バルクダイヤモンドオプトメカニカルシステムで達成可能なQm·fm積は何か？また、室温下での単一フォノンコherenecを支持するか？

主な発見

• デバイスは2 GHzの機械的共振モードを実現し、機械的品質因子Qm > 9000を達成し、Qm·fm積は約1.9×10¹³に達した。
• 環境条件下でバルクダイヤモンドにおける高周波数共振モードの記録的な低機械的散逸を示した。
• 放射圧により、ピーク振幅が約31 pmの機械的自己発振が励起され、色中心における電子スピン遷移を駆動するのに十分なエネルギーを有した。
• オプトメカニカルシステムはほぼサイドバンド分解能に達しており、光と機械的運動との間の強い共鳴結合を示している。
• 高周波数と低散逸の組み合わせにより、室温下での単一フォノンコherenecが実現可能となり、量子情報技術の重要な要件を満たした。