[論文レビュー] Nano-optomechanical measurement in the photon counting regime

Laure Mercier de Lépinay, Benjamin Pigeau+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、振動するナノワイヤに付着した窒素空孔（NV）中心からの光子統計を活用することで、超低光強度下でのナノオプトメカニカルセンシングを実証した。単一光子放出の空間的・時間的相関を測定することにより、1周期あたり1光子未満の光強度においてもナノメカニカル振動を定量的に検出可能であり、従来の検出器がダークノイズによって制限を受ける光子カウンティング領域においても運動センシングを実現した。

ABSTRACT

Optically measuring in the photon counting regime is a recurrent challenge in modern physics and a guarantee to develop weakly invasive probes. Here we investigate this idea on a hybrid nano-optomechanical system composed of a nanowire hybridized to a single Nitrogen-Vacancy (NV) defect. The vibrations of the nanoresonator grant a spatial degree of freedom to the quantum emitter and the photon emission event can now vary in space and time. We investigate how the nanomotion is encoded on the detected photon statistics and explore their spatio-temporal correlation properties. This allows a quantitative measurement of the vibrations of the nanomechanical oscillator at unprecedentedly low light intensities in the photon counting regime when less than one photon is detected per oscillation period, where standard detectors are dark-noise-limited. These results have implications for probing weakly interacting nanoresonators, for low temperature experiments and for investigating single moving markers.

研究の動機と目的

• 超低光強度下、光子カウンティング領域の閾値を下回る状態でナノメカニカルオシレーターの運動検出を可能にすること。
• ナノワイヤのナノ運動が、その先端に付着した単一NV中心から放出される光子の空間的・時間的統計にどのように符号化されるかを解明すること。
• 強度ベースの検出ではなく、光子統計を用いることで、弱く結合したナノメカニカルシステムに対する非破壊的かつ量子制限に達した読み出し戦略を開発すること。
• 光子自己相関関数と機械的オシレーターの位置ゆらぎの間の理論的枠組みを、解析的および数値的モデリングにより検証すること。
• 冷却および生物学的応用に適した、100 aW程度のサブフェムトワットレベルのパワー下でナノレゾネーターの熱雑音をプローブする可能性を実証すること。

提案手法

• 46 µmの長さのSiCナノワイヤの自由端に1つのNV中心を付着させたハイブリッドナノオプトメカニカルシステムを用いた。
• 高い数値孔径を持つ集光レンズを用い、ポンプレーザーを照射することで、NV中心の発光がナノワイヤの運動によって空間的に変調される強い閉じ込められた励起体積を形成した。
• 二重の単一光子カウンタを用いて、異なる空間的検出器位置における強度自己相関関数 $ g^{(2)}( au) $ を測定した。
• 二つの空間的に分離した検出器から得た光子フラックス間の時間的相互相関を分析し、発光体の空間的・時間的軌道を再構成した。
• オシレーターの位置自己相関関数 $ C_ heta( au) $ の累乗級としての光子自己相関関数の理論的展開（4次まで）を構築し、運動に起因する光子の束縛をモデル化した。
• フィッティングされた係数 $ eta_j $ を用いて、NVの蛍光ダイナミクスの直接数値シミュレーションと比較することで、解析的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 ナノメカニカルオシレーターの運動が、それに付着した単一量子発光体から放出される光子の空間的・時間的統計にどのように影響を与えるか？
• RQ2 従来の強度検出器がダークノイズによって制限を受ける光子カウンティング領域（1周期あたり1光子未満）において、光子統計を用いてナノメカニカル振動を定量的に測定できるか？
• RQ3 有限の測定体積および検出器の空間的分離が、運動に起因する光子の束縛シグナルを生成する役割を果たすか？
• RQ4 測定された光子相互相関から、オシレーターの位置ゆらぎ自己相関をどの程度再構成できるか？
• RQ5 $ g^{(2)}( au) $ を $ C_ heta( au) $ の累乗級として展開する際の高次項が、特に低信号レベル下での振動運動検出に与える影響は何か？

主な発見

• 著者らは、1周期あたり1光子未満の光強度（約100 aW）においても、ナノメカニカル振動の定量的測定に成功した。
• 測定体積の有限性に起因する光子の束縛シグナルが観測され、その程度はオシレーターの位置自己相関関数 $ C_ heta( au) $ に直接関連していた。
• 二つの空間的に分離した検出器から得た光子フラックスの時間的相互相関により、移動するNV中心の軌道が明らかになり、オシレーターの運動を空間的・時間的次元で再構成可能となった。
• $ g^{(2)}( au) $ を $ C_ heta( au) $ の累乗級として展開する理論的モデリングは、数値シミュレーションと非常に良好に一致し、強い駆動条件下でもこのアプローチの有効性が裏付けられた。
• 検出器が中心に対して対称に配置された場合、奇数次係数 $ A_{2j+1} $ が消滅することが確認され、$ g^{(2)} $ の運動依存部が $ C_ heta( au) $ の偶関数であることが示され、相関信号にコントラスト反転が生じることを裏付けた。
• 本手法により、4 Kでナノレゾネーターの熱雑音を検出可能であり、変位ノイズフロアが約12 nmにまで低下した。これは300 Kでの約102 nmと比較して顕著に低く、冷却実験への応用可能性を示した。