[논문 리뷰] Cavity-mediated long-range interactions in levitated optomechanics

Jayadev Vijayan, Johannes Piotrowski외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 28.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 진공에서 두 개의 광학적으로 레벨레이티드 나노입자 간에 프로그래밍 가능한 캐비티 매개 장거리 상호작용을 처음으로 구현한다. 캐비티를 통해 강한, 조절 가능한 결합(Gzz/Ωz = 0.238 ± 0.005)을 유도하며, 이는 캐비티 모드 부피 내에서 입자 간 거리와 무관하게 유지된다. 상호작용은 음향광학적 데 former를 통해 트랩 주파수, 위치, 기계 모드를 제어하여 설계되며, 이로 인해 조절 가능한 비상호성 결합과 스펙트럼 측정에서 피하기 어려운 수준의 교차를 실현한다.

ABSTRACT

The ability to engineer cavity-mediated interactions has emerged as a powerful tool for the generation of non-local correlations and the investigation of non-equilibrium phenomena in many-body systems. Levitated optomechanical systems have recently entered the multi-particle regime, with promise for using arrays of massive strongly coupled oscillators for exploring complex interacting systems and sensing. Here, by combining advances in multi-particle optical levitation and cavity-based quantum control, we demonstrate, for the first time, programmable cavity-mediated interactions between nanoparticles in vacuum. The interaction is mediated by photons scattered by spatially separated particles in a cavity, resulting in strong coupling ($G_ ext{zz}/Ω_ ext{z} = 0.238\pm0.005$) that does not decay with distance within the cavity mode volume. We investigate the scaling of the interaction strength with cavity detuning and inter-particle separation, and demonstrate the tunability of interactions between different mechanical modes. Our work paves the way towards exploring many-body effects in nanoparticle arrays with programmable cavity-mediated interactions, generating entanglement of motion, and using interacting particle arrays for optomechanical sensing.

연구 동기 및 목표

• 진공 내에서 공간적으로 분리된 나노입자 간에 장거리, 캐비티 매개 상호작용을 실현하기 위해.
• 거리에 따라 감쇠되는 자유공간 광학적 및 디폴드 상호작용의 한계를 극복하여, 양자 얽힘을 위한 충분한 강도가 되지 않는 문제를 해결하기 위해.
• 입자 위치, 기계 모드, 캐비티 떨어짐을 프로그래밍 가능하게 제어하여 조절 가능한 상호작용을 설계하기 위해.
• 거대한 옵티코메카닉스 배열에서 다체 양자 효과와 얽힘을 탐색할 수 있도록 하기 위해.
• 프로그래밍 가능하고 상호작용하는 입자 배열을 갖춘 옵티코메카닉스 감지의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 음향광학적 데포머(AODs)를 사용하여 진공 내 나노입자를 트랩하기 위한 프로그래머블 트랩 어레이를 생성한다.
• 고해상도 수치적 열공률(Na = 0.75)을 가진 1550 nm 파장의 광학 트랩을 사용하여 실리카(SiO2) 나노입자(지름 150 nm)를 레벨레이션한다.
• 고정밀도 광학 캐비티(κ/2π = 600 kHz, Lc = 9.6 mm)를 사용하여 상호작용을 매개하며, 레이저 주파수 조절을 통해 캐비티 떨어짐 Δ를 제어한다.
• 산산각산 산란광의 균형 혼합 검출을 통해 캐비티 매개 결합을 측정하며, 기계 모드의 사이드밴드는 푸리에 스펙트럼에서 검출된다.
• 이론적 모델링은 캐비티를 단절적으로 제거한 축소된 마스터 방정식을 사용하여, 식 8을 통해 효과적 결합 Gαα′를 기술하는 동적 행렬을 도출한다.
• 모드 분리값은 식 11을 사용하여 스펙트로그램에서 추출되며, 결합된 시스템의 고유값에 대한 피팅을 통해 G1µ,2µG2µ,1µ를 추출하여 효과적 상호작용 강도를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진공 내에서 공간적으로 분리된 나노입자 간에 캐비티 매개 장거리 상호작용을 설계할 수 있는가?
• RQ2 캐비티 떨어짐과 입자 간 거리에 따라 캐비티 매개 상호작용 강도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 특정 기계 모드(x, y, z) 간의 상호작용을 선택적으로 조절할 수 있는가?
• RQ4 상호작용은 비상호적이고, 이는 결합된 시스템의 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 측정 가능한 최소 결합 강도는 얼마이며, 이는 다른 상호작용(예: 쿠론, 광학 결합)과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?

주요 결과

• 실험은 Gzz/Ωz = 0.238 ± 0.005의 강한, 쇠퇴하지 않는 캐비티 매개 결합을 입증하여 강한 결합 영역임을 확인한다.
• 상호작용 강도가 입자 간 거리(d ≈ 6 µm)와 무관하게 유지됨을 확인하여, 캐비티 모드 부피 내에서 장거리 성격을 입증한다.
• 캐비티 떨어짐 Δ와 트랩 레이저 강도를 조절함으로써 다양한 기계 모드 간의 결합을 제어할 수 있는 조절 가능성 확인.
• 측정된 모드 분리값은 최대 3.5 kHz에 이르며, 최소로 구분 가능한 결합 강도는 약 0.15 kHz로 이론적 추정과 일치한다.
• 직접적인 광학 결합 및 쿠론 상호작용은 각각 약 0.14 kHz와 0.17 kHz로 추정되며, 모두 측정 가능한 임계 이하이므로 캐비티 매개 상호작용의 지배적 성질을 확인한다.
• 이론 모델이 예측한 바와 같이 비상호성 결합이 달성되었으며, Gαα′ ≠ Gα′α이므로 복잡한 네트워크 구조를 가능하게 한다.