[論文レビュー] Mechanical Spectroscopy of Parametric Amplification in a High-Q Membrane Microresonator

Shuhui Wu, Jiteng Sheng+3 more|Figshare|Jul 31, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 74被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、歪みのない酸化ケイ酸アルミニウム膜を用いた電気的駆動によるパラメトリック増幅を実現する、窒化ケイ素膜を用いた光電機械的システムを提示する。このシステムにより、室温下で機械的Q値を2桁以上向上させ、約3×10⁸に達する。また、-3 dB限界に近い熱機械的ノイズ圧縮を実現した。本システムは、化学 stoichiometric SiN膜の高い固有品質を損なわずに、電気的駆動により動的に機械的特性を調整する。

ABSTRACT

We develop a stoichiometric SiN membrane-based optoelectromechanical system, in which the properties of the mechanical resonator can be dynamically controlled by the piezoelectric actuation. The mode splitting is observed in the mechanical response spectra of a phase-sensitive degenerate parametric amplifier. In addition, the quality factor Q of the membrane oscillator in this process is signicantly enhanced by more than two orders of magnitude due to the coherent amplication, reaching a Q factor of ~ 3*10^8 and a f*Q product of ~ 8*10^14 at room temperature. The thermomechanical noise squeezing close to -3 dB limitation is also achieved. This system integrates the electrical, optical and mechanical degrees of freedom without compromising the exceptional material properties of SiN membranes, and can be a useful platform for studying cavity optoelectromechanics.

研究の動機と目的

• SiN膜の性能を損なわせることなく、電気的・光学的・機械的自由度を統合した光電機械的プラットフォームの開発。
• 化学 stoichiometric SiN膜において、電気的駆動による機械的共振器特性の動的制御の実証。
• 高Q値膜振動子における共鳴的パラメトリック増幅を用いた、顕著なQ値向上の達成。
• 非縮退パラメトリック増幅を用いて、室温下の機械的システムで熱機械的ノイズ圧縮を実現。
• キャビティ光電機械力学および非線形量子ダイナミクスの研究に適したスケーラブルでプロセスに優れたプラットフォームの提供。

提案手法

• 200 μm 厚のSiフレーム上に、50 nm 厚の化学 stoichiometric SiN膜をスパナントさせ、引張応力と幾何形状により共振周波数を調整。
• 膜基板に直接接着されたリング型アクチュエータを用いて、電気的駆動により膜の応力およびばね定数を動的に変調。
• 位相感受性ポンプ場を用いて非縮退パラメトリック増幅を実装し、共振周波数で機械的運動を共鳴的に増幅。
• 振動子の運動の四元数成分を検出するために、2段階のロックインアンプを用いて機械的応答スペクトルを測定。
• 一時的励起後のリングダウン測定からQ値を抽出し、指数関数的フィットを用いて減衰時間を特定。
• 熱的およびパラメトリカルに増幅された状態における振動子の位相空間における確率密度関数を測定し、ノイズ圧縮を定量。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気的駆動によるパラメトリック増幅が、化学 stoichiometric SiN膜の固有品質を損なわず、その機械的特性を動的に制御可能か。
• RQ2 室温下のSiN膜システムにおいて、パラメトリック増幅が機械的Q値をどの程度向上できるか。
• RQ3 非縮退パラメトリック増幅を用いて、SiN膜光電機械的システムで熱機械的ノイズ圧縮を達成できるか。
• RQ4 非線形性が、本システムにおけるパラメトリック増幅器の性能および動作領域に与える影響は。
• RQ5 パラメトリック増幅下で、SiN膜システムの最大f×Q積はどの程度達成可能か。また、基底状態冷却の要件を満たすか。

主な発見

• 共鳴的パラメトリック増幅のおかげで、室温下で機械的Q値が2桁以上向上し、約3×10⁸に達した。
• f×Q積は約8×10¹⁴に達し、室温下からの機械的振動子の基底状態冷却に必要な閾値を超えた。
• 機械的応答スペクトルにモード分裂が観察され、位相感受性非縮退パラメトリック増幅器の動作が確認された。
• 熱機械的ノイズ圧縮が-2.1 dBで達成され、量子限界の-3 dBに近づいた。
• パラメトリック不安定性閾値をわずかに上回る弱い非線形領域で安定した動作を示し、非線形ダイナミクスへのアクセスが可能になった。
• 本研究で測定された最高のQ値は、これまでに報告されたSiN膜における最高値であり、複雑なナノプロセスを必要としない。