[논문 리뷰] Cavity nano-optomechanics in the ultrastrong coupling regime with ultrasensitive force sensors

F Fogliano, Benjamin Besga외 7명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2019. 04. 01.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 섬유 기반 마이크로캐비티에 휘어진 실리카 카바이드 나노와이어를 삽입하여 초강력 광기계 결합을 구현함으로써, 단일 광자가 기계 진동자에 미치는 영향이 그의 영구진동의 진동수보다 100배 이상 초과하는 것을 입증하였다. 나노와이어 기반 스캐닝 프로브 기법을 사용하여, 매개변수적 결합과 캐비티 내부의 전체 벡터 광기계력장이 직접적으로 맵핑되었으며, 이는 초저광자 유량에서 양자 비파괴 측정이 가능한 단일 광자 광기계 상호작용에 직접적인 접근을 가능하게 하였다.

ABSTRACT

In a canonical optomechanical system, mechanical vibrations are dynamically encoded on an optical probe field which reciprocally exerts a backaction force. Due to the weak single photon coupling strength achieved with macroscopic oscillators, most of existing experiments were conducted with large photon numbers to achieve sizeable effects, thereby causing a dilution of the original optomechanical non-linearity. Here, we investigate the optomechanical interaction of an ultrasensitive suspended nanowire inserted in a fiber-based microcavity mode. This implementation allows to enter far into the hitherto unexplored ultrastrong optomechanical coupling regime, where one single intracavity photon can displace the oscillator by more than its zero point fluctuations. To fully characterize our system, we implement nanowire-based scanning probe measurements to map the vectorial optomechanical coupling strength, but also to reveal the intracavity optomechanical force field experienced by the nanowire. This work establishes that the single photon cavity optomechanics regime is within experimental reach.

연구 동기 및 목표

• 광기계 결합의 초강력 영역에 접근하기 위해, 단일 광자가 기계 진동자를 그의 영구진동의 진동수보다 더 큰 만큼 이동시키는 것을 목표로 한다.
• 나노와이어 기반 스캐닝 프로브를 이용한 이중 특성 분석 방법을 개발하여, 매개변수적 결합과 캐비티 내부의 광기계력장 맵핑을 동시에 수행한다.
• 이전에는 거대한 시스템에서의 약한 결합으로 인해 접근이 어려웠던 단일 광자 광기계 비선형성을 실험적으로 탐색할 수 있도록 한다.
• 단일 광자 수준에서의 양자 측정, 특히 QND 측정과 공학적 비선형성을 가능하게 하기 위한 기반을 마련한다.
• 냉각된 나노와이어를 이용하여 단일 광자 영역에서의 작동 가능성을 입증하고, 감지 가능한 단일 광자 반동에 가까이 접근한다.

제안 방법

• 고 품질 인자 섬유 마이크로캐비티의 복합점에 하향형의 나노와이어를 위치시켜 광기계 결합을 최대화한다.
• 나노와이어를 캐비티 모드 부피를 가로질러 피에조 위치 제어함으로써 스캐닝 프로브 측정을 수행하여, 캐비티 주파수 이격과 대역폭의 공간 맵핑을 가능하게 한다.
• 매개변수적 결합 강도는 캐비티 잠금 보정 신호 맵의 기울기에서 유도되며, 횡방향에서의 벡터 결합이 드러난다.
• 펌프-프로브 기법을 사용하여 실시간 잠금 감지 기술을 활용해 캐비티 내부의 광학적 힘장 직접 측정을 수행한다. 주파수는 80–85 Hz이다.
• 10개의 인접한 픽셀에 대한 신호 평균 처리를 통해 z축 방향으로 25 nm의 공간 해상도 확보하며, 각 점당 100 ms의 통합 시간 확보.
• 시스템은 단일 광자 결합 강도 최대 $ g_0^z/2\pi = 2.6\,\text{MHz} $를 달성하여 $ 100 \times \Omega_m/2\pi $를 초월하며, 매개변수적 협동도 $ \mathcal{C}^{(1)} \approx 10 $를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노와이어를 섬유 마이크로캐비티에 삽입하여 초강력 광기계 결합을 달성하고, 단일 광자 효과를 유도할 수 있는가?
• RQ2 광기계 결합의 벡터 성격을 2차원에서 실험적으로 맵핑할 수 있는가?
• RQ3 캐비티 내부의 광기계력장의 공간적 구조는 어떻게 되며, 캐비티 모드 프로파일과 어떤 관계가 있는가?
• RQ4 단일 캐비티 내 광자 수준에서 정적 광기계 비선형성이 시스템에서 지원될 수 있는가?
• RQ5 거대한 광기계 시스템에서 단일 광자 반동과 양자 비파괴 측정을 관찰할 수 있는 가능성은 무엇인가?

주요 결과

• 시스템은 단일 광자 결합 강도 $ g_0^z/2\pi = 2.6\,\text{MHz} $를 달성하여, $ g_0/\Omega_m > 100 $로 초강력 결합 영역에 깊이 진입하였다.
• 매개변수적 결합 강도 $ G_z $ 는 2차원 맵핑을 통해 수행되었으며, 캐비티 복합점 근처에서 동시에 큰 결합과 강한 광학적 반작용이 발생하는 영역을 드러냈다.
• 캐비티 내부의 광학적 힘장은 25 nm의 공간 해상도로 실험적으로 맵핑되었으며, 복합점 근처에는 반진동 및 진동 구조가 관찰되었다.
• 나노와이어가 모드 부피에서 제거될 때 측정된 힘장이 사라짐으로써 상호작용의 공간 국소화가 확인되었다.
• 단일 광자 매개변수적 협동도 $ \mathcal{C}^{(1)} \approx 10 $를 확보하였으며, 6 GHz의 캐비티 대역폭 조건에서도 단일 광자 수준에서 정적 비선형성을 가능하게 하였다.
• 20 mK에서 냉각된 조건에서 단일 광자 결합 강도는 약 $ \approx 7\,\text{MHz} $로 향상되어, 정적 이격 $ \delta x^{(1)} \approx 8000\,\delta x_{\rm zpf} $를 만들어내었으며, 이는 열 노이즈를 훨씬 초월하였다.