[論文レビュー] Observation of optomechanical buckling phase transitions

Haitan Xu, Utku Kemiktarak+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、レーザー出力とデチューニングが安定な機械的状態間の一次および二次相転移を駆動する、光力学系における放射圧誘発のバッキング相転移の初回実験的観測を報告している。系は膜の変位を秩序パラメータとする対称性破れ相を示し、理論的相図と定量的な一致が確認された。

ABSTRACT

Correlated phases of matter provide long-term stability for systems as diverse as solids, magnets, and potential exotic quantum materials. Mechanical systems, such as relays and buckling transition spring switches can yield similar stability by exploiting non-equilibrium phase transitions. Curiously, in the optical domain, observations of such phase transitions remain elusive. However, efforts to integrate optical and mechanical systems -- optomechanics -- suggest that a hybrid approach combining the quantum control of optical systems with the engineerability of mechanical systems may provide a new avenue for such explorations. Here we report the first observation of the buckling of an optomechanical system, in which transitions between stable mechanical states corresponding to both first- and second-order phase transitions are driven by varying laser power and detuning. Our results enable new applications in photonics and, given rapid progress in pushing optomechanical systems into the quantum regime, the potential for explorations of quantum phase transitions.

研究の動機と目的

• 数十年にわたり予測されてきたが、光学領域ではこれまで観測されていなかった、放射圧によって駆動される光力学的バッキング相転移を観測すること。
• 誘電体膜を有する対称なファブリ・ペロー共振器において、レーザー出力とデチューニングを調整パラメータとして用いて、安定な機械的状態間の制御された遷移を実証すること。
• 光学駆動条件と機械的安定性および対称性破れの関係を示す、光力学的バッキングの相図を確立すること。
• 安定でスイッチ可能な機械的状態を有する光力学系の古典的および量子情報処理への応用可能性を検討すること。
• 理論的モデルによる光力学的相転移の妥当性を、パラメータ空間における予測された転移点と実測値の比較によって検証すること。

提案手法

• 膜の変位を測定可能な機械的共振子として、スピンオフした窒化ケイ素膜を有する対称なファブリ・ペロー共振器を用い、光学的および機械的性質を独立して制御可能とした。
• 2台の独立した可変周波数レーザー（1560 nm）を用い、電気光学的位相変調器を介してポンプおよびプローブ場を生成し、レーザーのデチューニングおよび出力を精密に制御した。
• Pound-Drever-Hall技術を用いてポンプ光を共振器モードにロックし、プローブレーザー間のビート信号を膜の変位の高感度測定に用いた。
• 高周波数カウンタおよびPDH信号解析を用いて、異なる帯域幅における膜位置の変動を測定し、静的および動的機械的状態の検出を可能にした。
• 有限要素解析を実施し、機械モードをシミュレートし、有効ばね定数を低くし、光学スプリング効果を強化するためのテッタード膜の設計最適化を図った。
• 光力学的ポテンシャルの理論的モデルを構築し、光学出力が増加するに従い単一井戸型から多重量井戸型への遷移が生じ、その結果として相転移が発生することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誘電体膜を有する対称な光力学系において、放射圧が一次および二次相転移を誘発できるか。
• RQ2 光学駆動出力およびデチューニングが、光力学的共振器内の安定な機械的状態間の遷移をどのように制御するか。
• RQ3 バッキング転移の過程で、系がどれほど自発的対称性破れを示すか、また、非対称なバイステーブルと比べてどのように異なるか。
• RQ4 理論的相図と実験的観測による転移点との間の定量的整合性はどの程度か。
• RQ5 高周波数の機械モードおよび熱的効果が、観測された相転移および安定性にどのように影響するか。

主な発見

• レーザー出力およびデチューニングによって駆動される、光力学的バッキング相転移の初回実験的観測が達成された。
• 一次および二次相転移の両方が観測され、膜の変位が秩序パラメータとして機能し、転移点で対称性破れが発生した。
• 実験的相図は理論と良好な定量的整合性を示し、特に異なるレーザーのデチューニングおよび出力における臨界転移点の位置がよく一致した。
• 光学出力が増加するに従い、単一井戸型から二重井戸型ポテンシャルへの滑らかな遷移が観測され、相転移の理論的基盤が確認された。
• 対称性のある共振器の使用により、自発的対称性破れが実現され、Dorsel実験のような以前の非対称系とは対照的であった。
• 高周波数の機械モードおよび熱的加熱の課題にもかかわらず、特に低帯域幅領域において、観測結果は理論と一貫しており、安定した挙動を示した。