[論文レビュー] Optomechanical Metamaterials: Dirac polaritons, Gauge fields, and Instabilities

Michael A. Schmidt, Vittorio Peano+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2013

Mechanical and Optical Resonators被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、光子的および音響的バンド構造を精密に設計することにより、ダイラック極子、合成ゲージ場、および新規の二光子不安定性を実現するための、工学的最適化されたオプトメカニカルアレイをメタマテリアルとして提案する。スーパーラティス内で局在したオプトメカニカルモードを結合することで、調整可能な有効ゲージポテンシャルを持つハイブリッド化された光子-音響モードを支持する。また、レーザー駆動による機械的振動と強化されたオプトメカニカル結合のおかげで、光物質間のコherentな相互作用が強いつながりを示し、不安定性やトポロジカルに類似した効果を示す強結合状態が実現される。

ABSTRACT

Freestanding photonic crystals can be used to trap both light and mechanical vibrations. These "optomechanical crystal" structures have already been experimentally demonstrated to yield strong coupling between a photon mode and a phonon mode, co-localized at a single defect site. Future devices may feature a regular superlattice of such defects, turning them into "optomechanical arrays". In this letter we predict that tailoring the optomechanical band structure of such arrays can be used to implement Dirac physics of photons and phonons, to create a photonic gauge field via mechanical vibrations, and to observe a novel optomechanical instability.

研究の動機と目的

• 工学的最適化されたオプトメカニカルアレイ内における光子モードおよび音響モードのダイラック的物理の出現を調査すること。
• 機械的振動がオプトメカニカル結合を通じて光子に対して合成ゲージ場を生成する方法を示すこと。
• 共鳴的二光子放出によって駆動される新規のオプトメカニカル不安定性を同定および特徴付けること。
• 現実的な実験的設定における不純物に対するこれらの効果の頑健性を評価すること。
• オプトメカニカルメタマテリアルにおいて、コherentでトポロジカル的かつ強く相関した現象が観測可能なパラメータ領域を確立すること。

提案手法

• 局在した光子モードおよび音響モードを有するオプトメカニカルセルの1次元または2次元格子をモデル化し、非線形オプトメカニカル相互作用によって結合する。
• 近接サイト間の光子および音響モードのトンネル遷移を記述するため、タイトバインディングアプローチを用い、最近接相互作用のハッキングパラメータ $ J $ および $ K $ を導入する。
• 一様なレーザー駆動下での定常状態のまわりで動的挙動を線形化し、光子および音響モードのブロッホモードを含む運動量空間における有効ハミルトニアンを導出する。
• 有効結合 $ g = g_0 \alpha $ を導入し、$ \alpha $ を古典的光強度として定義することで、線形化されたオプトメカニカル相互作用を記述する。
• ビームスプリッタおよび二モードスクリーミング項を含む有効ハミルトニアンを導出し、合成ゲージ場および非自明なバンド構造の出現を可能にする。
• 不安定性およびスペクトル応答の安定性を分析することで、二光子不安定性およびトポロジカルに類似した挙動が発現する条件を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オプトメカニカルアレイを設計することで、ハイブリッド化された光子-音響モードにダイラック的分散関係を実現できるか？
• RQ2 周期的配列内の機械的振動が、どのようにオプトメカニカル結合を通じて光子に対して合成ゲージ場を生成するか？
• RQ3 このような系において、新規の二光子不安定性が発生する条件は何か？
• RQ4 有効結合強度が、コherentおよびトポロジカル現象の実現に果たす役割は何か？
• RQ5 現実のオプトメカニカルナノ構造における不純物に対して、これらの効果はどの程度頑健か？

主な発見

• ハイブリッド化された光子-音響モードに、運動量空間において線形分散関係を示すダイラック極子が実現される。
• 機械的振動が光子に対して有効ゲージポテンシャルを誘導し、その結果、光子バンド構造を変更する合成ゲージ場が生成される。
• 有効オプトメカニカル結合 $ g $、光子の減衰率 $ \kappa $、音響モード周波数 $ \Omega $ を用いて、$ 4g^2/\kappa\Omega > 1 $ を満たすとき、新規の二光子不安定性が発生する。
• この不安定性は、同じモードに二つの光子がコherentに放出されることによって駆動され、逆格子ベクトルに対応するサイドバンドを持つ非弾性散乱光によって検出可能である。
• 有効トンネル幅 $ J_{\text{eff}} = g_0 |\beta| \epsilon $ は、機械的変位 $ \beta $ に依存し、調整可能な結合と強結合状態へのアクセスを可能にする。
• 現実の系では不純物効果は無視できる。局在化長がアレイサイズを上回る限り、局所的周波数フラクチュエーションが $ W \sim J $ に達しない限り、局在化は発生しない。これは現在の実験で観測されていない。