[論文レビュー] Single Polariton Optomechanics

Juan Restrepo, Cristiano Ciuti+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2013

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、キャビティ量子電磁力学とオプトメカニクスを組み合わせたハイブリッド量子系を提案する。ここでは、1つの人工二準位原子がキャビティ光子モードおよび機械的共振子と強く結合している。ハミルトニアンを解析的に解くことで、原子-キャビティ-メカニカル系ポラリトンが正確な固有モードとして出現することを示し、1ポラリトン状態での機械的運動の超効率的冷却を可能にするとともに、コherentまたは非coherent駆動のもとで、反バンドリングや負のウィグナーパワー関数を含む非古典的フォノン統計が実現可能である。

ABSTRACT

This paper investigates a novel hybrid cavity QED-optomechanics situation. We solve the Hamiltonian problem of a cavity coupled both to a two-level atom via a Jaynes-Cummings coupling and to a mechanical motion via radiation pressure coupling. The atom-cavity polariton number operator commutes with the total Hamiltonian leading to an exact analytical solution involving tripartite atom-cavity-mechanics polarons. Under optical pumping of polaronic transitions the system displays unusual atom-assisted cooling and amplification of mechanical motion. We demonstrate the possibility to obtain enhanced optomechanical cooling at the single polariton level, strong bunching of phonons, and describe the peculiar quantum noise statistics of mechanical motion in the single polariton amplification limit.

研究の動機と目的

• キャビティQEDとオプトメカニクスを1ポラリトンレベルで統合するハイブリッド量子系の構築を目的とする。
• キャビティモードおよび機械的共振子の両者に結合する1つの二準位原子のダイナミクスを調査すること。
• 1つの人工原子の存在が、オプトメカニカル冷却をどのように向上させ、フォノン統計をどのように変化させるかを明らかにすること。
• 三粒子系としての原子-キャビティ-メカニカル系において、フォノン反バンドリングや負のウィグナーパワー関数を示す非古典的機械的状態がどのように出現するかを示すこと。

提案手法

• システムは、二準位原子とキャビティモード間のJaynes-Cummings結合、およびキャビティと機械モード間の放射圧結合を組み合わせたハミルトニアンでモデル化される。
• 全ハミルトニアンは、$ \hat{N}_{\text{polariton}} = \hat{a}^\dagger\hat{a} + \hat{\sigma}_+\hat{\sigma}_- $ で定義されるポラリトン数固定の部分空間においてブロック対角化され、解析的対角化が可能となる。
• 固有状態は、三粒子系原子-キャビティ-メカニカル系ポラリトンとして構築され、各nポラリトン部分空間におけるポラリトン-フォノン基底 $ |\pm^{(n)}\rangle \otimes |l\rangle $ が用いられる。
• 損失および駆動を伴うダイナミクスは、マスター方程式のアプローチを用いて解析され、coherentおよび非coherent駆動の両方のスキームが検討された。
• フォノン統計は2次相関関数 $ G_2 $ を用いて特徴付けられ、非古典的性質の評価にはウィグナーパワー関数が計算された。
• 数値シミュレーションと解析的解を比較することで結果の妥当性を検証した。特に非coherent駆動およびサブポアソン的フォノン放出の状況で有効であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの二準位原子は、オプトメカニカルキャビティにおける機械的運動の冷却効率を向上させることができるか？
• RQ2 1つの人工原子の存在が、ハイブリッドオプトメカニカル系におけるフォノンの量子統計をどのように変化させるか？
• RQ3 どのような条件下で、負のウィグナーパワー関数を持つような非古典的機械的状態が三粒子系原子-キャビティ-メカニカル系に出現するか？
• RQ4 ポラリトン構造がフォノン反バンドリングおよび強いサブポアソン的放射を実現するにあたって果たす役割は何か？
• RQ5 1ポラリトン状態への非coherent駆動は、非古典的統計を持つ単一フォノンの制御放出を可能にするか？

主な発見

• 従来のオプトメカニクスと比較して、原子補助冷却により機械的運動の冷却効率が数個のオーダー向上し、1ポラリトン状態でも強力な冷却が達成された。
• 機械的品質因子 $ Q_m = 10^6 $ の場合、最適な駆動条件下で定常フォノン数が著しく低下し、原子の存在により冷却効率が向上した。
• 上位ポラリトンに合わせたcoherent駆動の下で、機械的ウィグナーパワー関数に負の値が現れ、非古典的統計が示された。これは有限温度バスタイムでは消える。
• 1ポラリトン状態への非coherent駆動により、$ G_2 \ll 1 $ のサブポアソン的フォノン統計が得られ、フォノン反バンドリングが示された。
• 非coherent駆動の解析的解は、数値シミュレーションと良好に一致し、弱い駆動領域においてモデルの妥当性が裏付けられた。
• 特定の駆動条件下では、フォノンの束縛と増幅が強く観測され、原子的自由度と機械的自由度の間の複雑な相互作用が明らかになった。