[論文レビュー] Optomechanics with a Kerr-type nonlinear coupling

Mathias Mikkelsen, Thomás Fogarty+2 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2017

Mechanical and Optical Resonators被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、自己カー非線形性が光子数の二乗に比例する有効結合を誘導するカー型非線形結合を有するキャビティオプトメカニクスを調査している。これにより、低出力でも顕著な量子効果が現れ、多安定性が実現され、運動モードの冷却に必要なレーザー強度が低減される。

ABSTRACT

Cavity optomechanics has proven to be a field of research rich with possibilities for studying motional cooling, squeezing, quantum entanglement and metrology in solid state systems. While to date most studies have focused on the modulation of the cavity frequency by the moving element, the emergence of new materials will soon allow to explore the influences of nonlinear optical effects. We therefore study in this work the effects due to a nonlinear position-modulated self-Kerr interaction and find that this leads to an effective coupling that scales with the square of the photon number, meaning that significant effects appear even for very small nonlinearities. This strong effective coupling can lead to lower powers required for motional cooling and the appearance of multi-stability in certain regimes.

研究の動機と目的

• キャビティオプトメカニカル系における非線形位置依存自己カー相互作用の影響を調査すること。
• 小さな固有非線形性であっても、非線形光学的効果が有効結合強度をどのように増強できるかを理解すること。
• このような非線形結合が、運動モード冷却に必要なパワー要件を低減するかどうかを調査すること。
• 非線形結合下での系における多安定性の出現を分析すること。

提案手法

• ハミルトニアンに非線形位置依存自己カー相互作用項を含むオプトメカニカル系のモデル化。
• カー非線形性に起因する光子数の二乗に比例する有効結合強度の導出。
• 冷却と安定性を検討するため、線形化されたオプトメカニカル方程式を用いた系のダイナミクス解析。
• 多安定性の条件を特定するため、位相空間とエネルギー障壁の解析。
• 摂動的および平均場近似を用いて、光子数や非線形性の変化に対する系の応答を評価。
• 標準的な線形オプトメカニカル結合と比較し、性能上の利点を明確化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カー型非線形結合は、キャビティ系における有効オプトメカニカル結合強度をどのように変化させるか？
• RQ2 光子数の二乗に比例するスケーリングが、運動モード冷却に必要なレーザー出力にどのような影響を及えるか？
• RQ3 どのような条件下で非線形結合が系の多安定的挙動を引き起こすか？
• RQ4 非線形効果は、弱い固有非線形性であっても顕著な量子効果を実現可能にするか？

主な発見

• 自己カー相互作用に起因し、有効結合強度が光子数の二乗に比例して増大するため、低光子数でも強い結合が実現可能である。
• 運動モード冷却などの顕著な量子効果が、線形オプトメカニカル系と比較してはるかに低いレーザー出力で達成可能である。
• 特定のパrameter領域では、非線形ポテンシャルエネルギー障壁に起因する多安定性を示す。
• 非線形結合は光子数に対する系の感度を高め、量子状態工学における新たな制御メカニズムを可能にする。
• 光子数の二乗依存性のおかげで、弱い固有非線形性であっても顕著な有効結合が実現される。
• 結果から、高出力レーザーを必要とせずに固体系で強い結合と量子効果を実現する道筋が示唆される。