[논문 리뷰] Experimentally Feasible Dynamical Casimir Effect in Parametrically Amplified Cavity Optomechanics

Wei Qin, Vincenzo Macrí외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 12.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 캐비티 옵티모닉스에서 동적 카시미르 효과(DCE)를 실험적으로 관측할 수 있는 방법을 제안한다. 비공진 조절된 비선형 주입을 통해 캐비티 모드를 압축하여, 기계 모드와 압축된 모드 간의 공진적, 비선형 결합을 가능하게 한다. DCE는 기계적 요인에 의해 유도되는 이중광자 초라만 산란으로 구현되며, 한 개의 진동자가 흡수되고 광자 쌍이 반아스터리드 밴드로 산란된다. 이 효과는 매우 작은 압축 정도에서도 심하게 증폭되어, 초고속 거울이나 초강력 결합이 필요로 하지 않는다는 점에서 놀랍다.

ABSTRACT

To observe the dynamical Casimir effect (DCE) induced by a moving mirror is a long-standing challenge because the mirror velocity needs to approach the speed of light. Here, we present an experimentally feasible method for observing this mechanical DCE in an optomechanical system. It employs a detuned, parametric driving to squeeze a cavity mode, so that the mechanical mode, with a typical resonance frequency, can parametrically and resonantly couple to the squeezed cavity mode, thus leading to a resonantly amplified DCE in the squeezed frame. The DCE process can be interpreted as {\it mechanically-induced two-photon hyper-Raman scattering} in the laboratory frame. Specifically, {\it a photon pair} of the parametric driving absorbs a single phonon and then is scattered into an anti-Stokes sideband. We also find that the squeezing, which additionally induces and amplifies the DCE, can be extremely small. Our method requires neither an ultra-high mechanical-oscillation frequency (i.e., a mirror moving at nearly the speed of light) nor an ultrastrong single-photon optomechanical coupling and, thus, could be implemented in a wide range of physical systems.

연구 동기 및 목표

• 기계 시스템에서 동적 카시미르 효과(DCE)를 관측하는 데 오랫동안 해결되지 않은 실험적 과제를 해결하고자 하며, 기존의 설정에서 거울 속도가 빛의 속도에 가까워져야 하는 조건을 피하고자 한다.
• 현재 실험 플랫폼에서 구현이 어려운 초고주파 기계 진동수나 초강력 옵티모닉스 결합을 대체할 수 있는 실현 가능한 대안을 개발하고자 한다.
• 기계 모드와 압축된 모드 간의 공진적 상호작용을 통해 DCE를 비선형 주입과 캐비티 모드 압축을 통해 실험적으로 구현 가능한 방식으로 공진적으로 증폭하고자 한다.
• 실험실 프레임에서 DCE 과정을 기계적 유도 이중광자 초라만 산란으로 재해석함으로써 새로운 물리적 해석을 제공하고자 한다.

제안 방법

• 비공진 조절된 비선형 주입을 통해 캐비티 모드의 양자적 압축을 생성함으로써, 효과적인 옵티모닉스 결합을 수정하는 비고전적 상태를 만든다.
• 일반적인 공진 주파수를 가진 기계 모드를 사용하여 압축된 캐비티 모드와 공진적으로 결합함으로써 DCE 과정의 비선형 증폭을 가능하게 한다.
• 압축된 프레임에서 시스템을 분석함으로써, 기계 모드와 압축된 모드 간의 공진적 상호작용으로 인해 DCE가 증폭됨을 확인한다.
• 실험실 프레임에서 DCE를 이중광자 초라만 산란 과정으로 재해석한다: 주입 필드의 광자 쌍이 한 개의 진동자를 흡수하고 반아스터리드 밴드로 산란된다.
• 매우 작은 압축 정도에서도 DCE가 크게 증폭됨을 입증함으로써, 강력한 압축이나 고속 거울 운동이 필요로 하지 않는다는 점을 보여준다.
• 표준적인 옵티모닉스 구성 요소와 매개변수를 기반으로 하므로, 초전도 회로나 나노기계 진동자와 같은 다양한 물리 시스템에 적용 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계적 옵티모닉스 시스템에서 거울 속도가 빛의 속도에 가까워지지 않아도 동적 카시미르 효과를 관측할 수 있는가?
• RQ2 비선형 주입과 캐비티 모드 압축이 DCE를 어떻게 실험적으로 실현 가능한 방식으로 증폭시키는가?
• RQ3 압축된 상태에 있을 때 실험실 프레임에서 DCE 과정의 물리적 해석은 어떻게 되는가?
• RQ4 강한 결합이나 고주파 진동이 필요 없이 약한 압축만으로 DCE를 얼마나 강하게 증폭시킬 수 있는가?

주요 결과

• 기계 모드와 압축된 캐비티 모드 간의 비선형 결합으로 인해 압축된 프레임에서 DCE가 공진적으로 증폭된다.
• 실험실 프레임에서 DCE 과정은 기계적 유도 이중광자 초라만 산란과 물리적으로 동일하며, 한 개의 진동자가 흡수되고 광자 쌍이 반아스터리드 밴드로 산란된다.
• 매우 작은 압축 정도에서도 DCE가 크게 증폭되어 관측의 실험적 임계 조건이 낮아진다.
• 초고속 기계 진동수나 초강력 단일광자 옵티모닉스 결합이 필요로 하지 않아 현재의 실험 플랫폼에서 실현 가능하다.
• 표준 옵티모닉스 구성 요소를 기반으로 하므로 초전도 회로나 나노기계 진동자와 같은 다양한 물리 시스템에 널리 적용 가능하다.