[논문 리뷰] Emitter-Optomechanical Interaction in Ultra-High-Q hBN Nanocavities

Chenjiang Qian, Viviana Villafañe외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 01.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초고품질 인장계 질화붕소(hBN) 나노공진기에서 전하를 띤 붕소 공여체(V_B⁻) 중심이 존재하는 초고품질(Q ~ 10⁵) 나노공진기에서 포논 유도 발광체-광기계 결합을 입증한다. 공간 해상도가 높은 형광 및 라만 스펙트로스코피를 통해, 공진기 기계 모드가 내재된 전자-포논 결합을 통해 비대칭 스펙트럼 선형형과 포논 폴라리톤을 유도하는 것으로 밝혀졌으며, 이 비대칭성은 Q > 10⁴일 때에만 나타나며, 제이너스-커밍스 모델을 초월한 스핀, 광자, 포논 간의 새로운 하이브리드 양자 인터페이스를 확인한다.

ABSTRACT

Integrating quantum emitters into nanocavities which simultaneously couple to the photonic and mechanical modes is critical for interfacing electron spins, photons and phonons in the cavity QED system. Here, we investigate the interaction between the charged boron vacancy $V_B^-$, ultra-high-Q ($\sim10^5$) cavity photonic modes and local phonon modes. A pronounced asymmetry is observed in the emission spectrum for cavities with Q-factor above a threshold of 10$^4$. Similar asymmetries are not observed for cavities without $V_B^-$ centers. To explain our findings, we model the system with phonon-induced light-matter coupling based on $V_B^-$ centers, and compare to the Jaynes-Cummings model for usual emitters. Our results reveal that the multipartite interplay arises during the light-matter coupling of $V_B^-$ centers, illustrating that it is phonon-induced, rather than being caused by thermal population of phonon modes. Such emitter-optomechanical interaction between different photon ($V_B^-$ emission, cavity photonic) and phonon ($V_B^-$ phonon, cavity mechanical) modes provides a novel system to interface spin defects, photons and phonons in condensed matters.

연구 동기 및 목표

• 나노공진기 내에서 양자 발광체, 광모드, 기계 진동 간의 상호작용을 탐구한다.
• V_B⁻ 중심에서 포논 유도 광물질 결합이 표준 제이너스-커밍스 모델을 초월한 광기계 효과를 유도하는지 조사한다.
• 내재된 전자-포논 상호작용을 통해 스핀, 광자, 포논이 일관되게 결합된 하이브리드 양자 시스템을 구축한다.
• 공진 조명을 이용한 공진기 광기계학을 통해 V_B⁻ 발광 및 포논 모드를 제어할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 30 keV N⁺ 이온 조사로 국소화된 V_B⁻ 중심을 갖는 초고품질(Q ~ 10⁵) hBN/Si₃N₄ 나노빔 공진기를 제작하였다.
• 공진기 전역에서 발광 및 포논 모드를 맵핑하기 위해 공간 해상도가 높은 형광(PL) 및 라만 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 공진기 광모드(731 nm)에 맞추어 조정된 연속광원 레이저 조명(532 nm, 약 1 MHz 대역폭)을 사용하여 광기계 결합을 탐사하였다.
• 포논 유도 광물질 결합 기반의 수치 모델을 구축하였으며, 표준 제이너스-커밍스 모델과 대조하였다.
• 위치에 따라 변화하는 PL 및 라만 피크 이동을 분석하여 기계 모드 결합으로 인한 반대칭성과 포논 폴라리톤을 식별하였다.
• 공진기 Q 인자에 따른 PL 선형형의 스펙트럼 비대칭성을 분석하여 Q ≈ 10⁴에서 임계점이 존재함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고품질 hBN 나노공진기 내에 V_B⁻ 중심이 존재할 경우 광모드와 기계 모드 간의 관측 가능한 광기계 결합이 발생하는가?
• RQ2 관측된 발광 선형형의 비대칭성은 열 포논 분포 때문이 아니라 포논 유도 광물질 결합 때문인가?
• RQ3 공진기 기계 모드가 광자와 V_B⁻ 포논 간의 결합을 매개할 수 있는가? 이는 비대칭 라만 증폭을 통해 입증되는가?
• RQ4 공진기의 Q 인자가 이 시스템에서 광기계 효과의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 PL 및 라만 스펙트럼에서 관측된 반대칭 특징이 포논 폴라리톤 형성의 증거로 어느 정도 확인되는가?

주요 결과

• 공진기 Q 인자가 약 10⁴를 초과할 때에만 형광 선형형의 뚜렷한 비대칭성이 나타나며, 이는 광기계 결합의 임계점임을 나타낸다.
• V_B⁻ 중심이 없는 공진기에서는 비대칭성이 관측되지 않아, 이 비대칭성이 발광체-광기계 상호작용에서 기인함을 확인한다.
• PL 및 라만 스펙트럼에서 관측된 스펙트럼 특징과 반대칭성은 강하게 상관되어 있으며, 이는 결합된 V_B⁻ 및 기계 모드에서 포논 폴라리톤이 형성됨을 시사한다.
• 공진 조명을 통해 V_B⁻ 포논 라만 피크가 비대칭적으로 증폭됨을 확인: 청색 이격(가열)에서는 적색 이격(냉각)보다 10배 이상 강하게 증폭되어 기계 모드 매개 상호작용을 시사한다.
• Si₃N₄ 포논 피크의 증폭은 대칭적이며 약 10% 수준으로 약하며, 이는 공진기 광자가 Si₃N₄ 포논에 직접 결합되며 기계 모드 매개 없이 이루어짐을 확인한다.
• 실험 데이터는 포논 유도 광물질 결합 모델에 잘 맞는 반면 표준 제이너스-커밍스 모델 예측과는 일치하지 않으며, 내재된 전자-포논 상호작용의 역할을 확인한다.