[論文レビュー] Nonlinear multi-frequency phonon lasers with active levitated optomechanics

Tengfang Kuang, Ran Huang+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、アクティブに浮上したオプトメカニカル系を用いた非線形多周波数フォノンレーザーの初の実現を示している。光学トラップに閉じ込められたYb3+-ドープ微小球は、散逸的結合とアクティブな増幅を介して基本モードのレーザー発振を強化し、自発的に機械的高調波を生成する。システムは3倍の振幅増幅を達成し、複数周波数にわたるコherentなフォノン相関を観測し、センシングおよび量子制御の分野における新たな応用を可能にする。

ABSTRACT

Phonon lasers, exploiting coherent amplifications of phonons, have been a cornerstone for exploring nonlinear phononics, imaging nanomaterial structures, and operating phononic devices. Very recently, by levitating a nanosphere in an optical tweezer, a single-mode phonon laser governed by dispersive optomechanical coupling has been demonstrated, assisted by alternating mechanical nonlinear cooling and linear heating. Such levitated optomechanical (LOM) devices, with minimal noises in high vacuum, can allow flexible control of large-mass objects without any internal discrete energy levels. However, untill now, it is still elusive to realize phonon lasing with levitated microscale objects, due to much stronger optical scattering losses. Here, by employing a Yb3+-doped active system, we report the first experiment on nonlinear multi-frequency phonon lasers with a micro-size sphere governed instead by dissipative LOM coupling. In this work, active gain plays a key role since not only 3-order enhancement can be achieved for the amplitude of the fundamental-mode phonon lasing, compared with the passive device, but also nonlinear mechanical harmonics can emerge spontaneously above the lasing threshold. Furthermore, for the first time, coherent correlations of phonons are observed for both the fundamental mode and its harmonics. Our work drives the field of LOM technology into a new regime where it becomes promising to engineer collective motional properties of typical micro-size objects, such as atmospheric particulates and living cells, for a wide range of applications in e.g., acoustic sensing, gravimetry, and inertial navigation.

研究の動機と目的

• 微小浮上物体におけるフォノンレーザーの弱さを、高光学散乱損失のための課題を克服すること。
• Yb3+-ドープ材料によるアクティブな増幅を導入することで、1つの微小球で多周波数フォノンレーザーを実現すること。
• 浮上系において基本モードと高調波モードの間のコherentな相関を実証すること。
• 細胞や微粒子のような微小物体の集団運動状態を工学的に設計できる、浮上オプトメカニクスの新規な領域への展開。
• アクティブ冷却と散逸的結合を用いて、増幅された出力振幅と安定した高調波生成を達成する非線形フォノンレーザーを実現すること。

提案手法

• 高真空の光学トラップに浮上したYb3+-ドープ微小球を用い、アクティブな光学増幅を提供する。
• 分散的結合の代わりに散逸的オプトメカニカル結合を用いることで、フォノンレーザー効率を向上させる。
• 熱雑音を抑制し、機械モードを安定化させるためにアクティブ冷却を実装する。
• ポンプレーザーを照射してレーザー閾値を超えることで、非線形高調波生成を誘発する。
• サイドバンド分光法を用いてフォノン振幅とコherenceを測定し、基本モードおよび高調波モードを検出する。
• 光学散乱損失を補償するためのアクティブな増幅を用い、微小スケールシステムにおけるレーザー発振を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Yb3+-ドープ微小球におけるアクティブな増幅が、光学散乱損失を克服し、微小スケール浮上系におけるフォノンレーザー発振を可能にするか？
• RQ2 アクティブに浮上した系における散逸的オプトメカニカル結合が、非線形多周波数フォノンレーザーを支持するか？
• RQ3 基本モードとその高調波において、同時にコherentなフォノン相関が観測可能か？
• RQ4 アクティブな増幅が、パassing系と比較してフォノンレーザーの振幅をどの程度増幅するか？
• RQ5 センシング応用のため、アクティブに浮上したオプトメカニクスを用いて微小物体の集団運動状態を工学的に設計可能か？

主な発見

• アクティブに浮上したオプトメカニカル系は、パassingデバイスと比較して、基本モードフォノンレーザーの振幅を3倍に増幅した。
• レーザー閾値を超えて、非線形的機械的高調波が自発的に生成され、強い自己駆動振動を示している。
• 基本フォノンモードとその高調波の間でコherentな相関が観測され、機械的系における量子的類似coherenceが確認された。
• 散逸的オプトメカニカル結合を用いることで、微小球における高光学散乱損失にもかかわらず、安定なレーザー発振が可能となった。
• アクティブな増幅機構により、熱雑音が抑制され、かつて損失制限により不適切とされた微小物体でもレーザー発振が可能となった。
• 本研究は、アクティブに浮上したオプトメカニクスを用いた単一微小球における多周波数フォノンレーザーの初の実験的実現を示した。