[논문 리뷰] Electromagnetically induced transparency and optical memories in an optomechanical system with $N$ membranes

Sumei Huang, Mankei Tsang|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 06.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 패러티 캐비티 내에 N개의 거의 degenerate인 막을 포함하는 거시적 광기계 시스템을 제안하여 다중 전자기 유도 투명성(EIT) 창문과 제어 가능한 광학 메모리 구현을 달성한다. 강한 결합장이 적용될 경우, 시스템은 조절 가능한 음의 군속도를 가진 최대 N개의 투명 창문을 나타내며, 복사압에 의해 유도된 기계적 진동으로 인해 여러 주파수에서 동시에 탐지 펄스를 저장하고 재생할 수 있다.

ABSTRACT

We study the propagation of a weak probe field through an optomechanical system in which $N$ nearly degenerate mechanical membranes are inside a Febry-Perot cavity, and couple dispersively to an intracavity field. We derive a general analytical expression for the output probe field. We show that the in-phase quadrature of the output probe field can exhibit multiple electromagnetically induced transparency with at most $N$ narrow transparency windows. We find that the superluminal light can be achieved with at most $N$ different negative group velocities at the transparency windows. Moreover, by using a time-dependent strong coupling pulse, we numerically simulate the storage and retrieval of a weak Gaussian-shaped probe pulse in an optical cavity with two nearly degenerate mechanical resonators.

연구 동기 및 목표

• N개의 막을 가진 거시적 광기계 시스템에서 다중 전자기 유도 투명성(EIT)을 입증하는 것.
• 효율적인 광기계 결합 강도를 통해 군속도, 특히 음의 값을 제어하는 것.
• N개의 막의 기계 모드를 이용해 여러 주파수에서 동시에 탐지 펄스의 광학 메모리 기능을 실현하는 것.
• 원자 시스템을 초월해 확장 가능하고 실온에서 작동하는 광기계 플랫폼으로 EIT 유사 현상과 광학 메모리 기능을 확장하는 것.
• 광기계 공진을 이용한 다중 채널 양자 정보 처리를 위한 이론적 프레임워크 제공

제안 방법

• 복사압에 의해 각 막이 캐비티 장과 선형적으로 결합된 N개의 손실이 없는 막을 포함하는 패러티 캐비티 모델링. 캐비티 주파수는 막의 변위에 선형적으로 의존한다.
• 캐비티 및 기계 모드 연산자에 대한 선형화된 운동 방정식을 사용해 출력 탐지장의 일반적인 해석적 표현 유도.
• 강한 결합장을 적용하여 다중 기계 모드 간의 양자 간섭을 통해 EIT 유사 행동 유도.
• 기록 및 재생 펄스를 포함한 시간에 따라 변화하는 결합 펄스를 사용해 탐지 펄스 에너지를 기계적 진동으로 전달하고 다시 되돌리는 방식으로 광학 메모리 실현.
• 감쇠, 결합 강도, 레이저 출력 등의 현실적인 매개변수를 사용해 이중 막 시스템에서 펄스 저장 및 재생을 수치 시뮬레이션.
• EIT 최소점에서 군속도 및 분산 분석을 통해 초광속 및 음의 군속도 영역 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 N개의 막을 가진 광기계 시스템이 최대 N개의 서로 다른 전자기 유도 투명성 창문을 지원할 수 있는가?
• RQ2 효율적인 광기계 결합 강도가 투명 창문의 대역폭과 군속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시스템이 동시에 여러 주파수에서 제어 가능한 음의 군속도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 이중 막 광기계 캐비티를 사용해 두 개의 다른 주파수에서 탐지 펄스를 저장하고 재생할 수 있는가?
• RQ5 시간에 따라 변화하는 결합 펄스는 광학 및 기계 자유도 간의 가역적 에너지 전달에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• N개의 거의 degenerate인 기계 모드 간의 양자 간섭으로 인해 탐지 투과 스펙트럼에 최대 N개의 서로 다른 투명 창문이 나타난다.
• EIT 창문의 대역폭은 효율적인 광기계 결합 강도가 증가함에 따라 증가하여 조절 가능한 스펙트럼 해상도를 가능하게 한다.
• 최대 N개의 다른 주파수에서 음의 군속도가 달성되며, 그 값은 최소 -c/14400에 이르며 제어 가능한 초광속 행동을 입증한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 기록 펄스를 적용함으로써 가우시안 탐지 펄스가 두 막의 기계적 진동에 동시에 저장됨을 확인했다.
• 별도의 재생 펄스를 통해 업컨버전을 통해 저장된 펄스를 재생하였으며, 6 ms의 저장 창에서 재생 효율이 입증되었다.
• 저장 중 기계적 진동 강도가 상당히 높은 수준(예: 탐지 전력의 약 10%)에 도달하여 효과적인 에너지 전달이 이루어짐을 확인했다.