[論文レビュー] Piezo-orbital backaction force in a rare-earth doped crystal

Anne Louchet-Chauvet, P. Verlot+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 47被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、希土類イオンの共鳴光学励起が結晶場の変化を通じて機械的ひずみを誘発することにより、バルクTm:YAG結晶において保存的でピエゾ軌道的バック作用力が実証された。この研究では、保存的（ピエゾ軌道的）効果と散逸的（光熱的）成分を分離・定量し、ハイブリッド量子系に適したミリ秒スケールのオプトメカニカル応答が明らかになった。

ABSTRACT

We investigate a system composed of an ensemble of room temperature rare-earth ions embedded in a bulk crystal, intrinsically coupled to internal strain via their sensitivity to the surrounding crystal field. We evidence the generation of a mechanical response under resonant atomic excitation. We find this motion to be the sum of two fundamental, resonant optomechanical backaction processes: a conservative, piezo-orbital mechanism, resulting from the modification of the crystal field associated with the promotion of the ions to their excited state, and a dissipative, non-radiative photothermal process related to the phonons generated throughout the atomic population relaxation. Our work opens new research avenues in hybrid optomechanics, and highlights new interactions that may be key for understanding the dephasing dynamics of ultra-coherent rare-earth ions.

研究の動機と目的

• 共鳴光学励起が希土類ドープ結晶に与える機械的バック作用を調査すること。
• バルクREICにおける保存的（ピエゾ軌道的）および散逸的（光熱的）オプトメカニカル寄与を区別すること。
• 1cmスケールの結晶における光誘起機械的運動の時間的・空間的分解能を有するトモグラフィーを実証すること。
• ピエゾ軌道効果の大きさと原子線分周波数シフト感受度との関係を定量すること。
• 希土類系が解像サイドバンドおよび強結合オプトメカニクスに適している可能性を確立すること。

提案手法

• 表面変位を角度のずれによって検出するため、ポンプビームと連続波（cw）プローブビームを用いたフォトデフラクション設定を採用した。
• 時間分解能に優れた超高感度トモグラフィーを用いて、時間的・空間的リアルタイム再構成による機械的運動を実現した。
• イオン軌道の変化に基づくピエゾ軌道的バック作用のモデルと、非放射的緩和による光熱効果のモデルを独立に開発した。
• フックの法則とエネルギー微分形式を用いて、内部エネルギーの変化と機械的力・変位の関係を定式化した。
• 原子線分周波数の圧力感受度（Gstress = ∂ω/∂σ）と材料定数（縦弾性係数、イオン密度）を用いて、ピエゾ軌道的変位を計算した。
• 実験データと照合することでモデルを検証し、デフォルメーション角に及ぼすガウスビームプロファイルの影響も含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 希土類ドーピング結晶に共鳴光学励起を施した際、発生する機械的力は何か？
• RQ2 保存的（ピエゾ軌道的）および散逸的（光熱的）バック作用メカニズムは、観測された運動にそれぞれどのように寄与しているか？
• RQ3 バルク結晶におけるピエゾ軌道的バック作用の大きさと空間的・時間的プロファイルは何か？
• RQ4 オプトメカニカル応答はイオン密度および材料特性にどのように依存するか？
• RQ5 支配的である光熱的背景からピエゾ軌道的効果を分離・定量することは可能か？

主な発見

• 4×10^14個のイオンが3 msパルスで励起された場合、ピエゾ軌道的バック作用により表面変位が約10 pmを示し、これはイオン半径の変化量ξに比例する。
• 保存的ピエゾ軌道的力は、イオンサイズの変化による格子ひずみではなく、電子状態遷移に起因する結晶場の変化に起因する。
• 光熱効果が空間的に支配的であり、非放射的緩和ダイナミクスによって完全に記述され、拡散的プロファイルを示す。
• ピエゾ軌道的変位は空間的に局在しており、準安定状態の人口変化を直接追跡する。
• システムはミリ秒スケールの機械的応答を示し、解像サイドバンドおよび強結合領域へのアクセスを可能にする。
• 理論モデルは∆x = NℏGstress / (wpL)を予測し、Gstress = ∂ω/∂σ（Hz/Pa単位）として表される原子線分周波数シフトと機械的変位の根本的関係を裏付けた。