[논문 리뷰] Injection locking of a levitated optomechanical oscillator for precision force sensing

Siamak Dadras, Robert M. Pettit외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 22.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 62인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 외부 레이저의 공진 강도 변조에 대해 떠 있는 실리카 나노입자 옵티omechanical 옴니터를 주입 잠금하는 것을 보여주며, 약 ~23 zN/√Hz의 힘 감도를 달성한다. 주입 잠금을 통해 진동선을 좁히고 노이즈를 감소시킴으로써, 시스템은 제토뉴턴 수준의 고정밀 힘 측정을 가능하게 하며, 이는 짧은 거리 힘과 나노스케일 시스템 내에서 광학적으로 유도된 상호작용을 탐색하는 데 적합하다.

ABSTRACT

We report on the injection locking of an optically levitated nanomechanical oscillator (a silica nanosphere) to resonant intensity modulations of an external optical signal. We explore the characteristic features of injection locking in this system, e.g. the phase pull-in effect and the injection-induced reduction of the oscillation linewidth. Our measurements are in good agreement with theoretical predictions and deepen the analogy of injection locking in levitated optomechanical systems to that in optical systems (lasers). By measuring the force noise of our feedback cooled free-running oscillator, we attain a force sensitivity of $\sim23~ m{zN}/\sqrt{ m{Hz}}$. This can readily allow, in fairly short integration times, for tests of violations of Newtonian gravity and searching for new small-scale forces. As a proof of concept, we show that the injection locking can be exploited to measure the forces optically induced on levitated nanoparticles, with potential applications in explorations of optical binding and entanglement between optically coupled nanomechanical oscillators.

연구 동기 및 목표

• 주입 잠금을 사용하여 실온에서 떠 있는 옵티omechanical 시스템에서 제토뉴턴 이하의 힘 감도를 달성하기.
• 떨어져 있는 옵티omechanics에서의 주입 잠금과 레이저와 같은 광학 시스템에서의 주입 잠금 간의 유사성 탐색하기.
• 주입 잠금을 통해 나노입자에 작용하는 작은 광학적 힘을 측정하는 실용적인 방법 제시하기.
• 고-Q, 피드백 냉각된 떠 있는 나노입자를 사용하여 비뉴턴 중력과 새로운 소규모 힘을 시험할 수 있도록 하기.

제안 방법

• 73.2 nm 반지름, 3.6 fg 질량의 실리카 나노입자를 고진공에서 광학적으로 떠 있게 하고 피드백 냉각하여 효과적인 온도를 23.9 mK로 낮춘다.
• 외부 레이저를 기계적 공진 주파수(128 kHz)로 강도 변조하여 일관된 신호를 옴니터에 주입한다.
• 나노입자의 기계적 진동을 변조된 신호에 위상 잠금함으로써 주입 잠금을 달성하고, 진동선을 좁히며 신호 대 노이즈 비를 향상시킨다.
• 이석의 이동 스펙트럼 밀도와 노이즈 분석을 통해 시스템의 힘 감도를 측정하며, 열, 쇼트, 피드백 노이즈 기여도는 랑주아ン 방정식 프레임워크를 사용해 모델링한다.
• 주입된 힘은 진동의 DFT 진폭과 알려진 힘 노이즈 바닥을 사용하여 교정하여 정량적 힘 측정을 가능하게 한다.
• 주입 잠금 역학에 대한 이론적 예측(위상 끌림 및 진동선 좁힘)을 실험 데이터와 비교하여 모델의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주입 잠금이 떠 있는 옵티omechanical 옴니터에 효과적으로 적용되어 힘 감도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 주입 잠금이 고-Q 떠 있는 시스템에서 기계적 진동선을 얼마나 좁히며, 신호 대 노이즈 비를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 시스템의 힘 감도는 자유 진동 상태와 주입 잠금 상태에서 각각 얼마이며, 제토뉴턴 수준에 도달할 수 있는가?
• RQ4 주입 잠금을 사용하여 떠 있는 나노입자에 작용하는 작은 광학적 힘을 측정할 수 있는가?
• RQ5 시스템의 성능는 주입 잠금 옴니터의 이론적 모델과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 시스템은 피드백 냉각된 자유 진동 상태에서 약 ~23.12 zN/√Hz의 힘 감도를 달성하며, 주요 노이즈 기여도는 쇼트 노이즈와 열 변동이다.
• 주입 잠금은 기계적 진동선을 크게 좁힘으로써, 자유 진동 상태의 진동 스펙트럼에 비해 DFT 스펙트럼에서 더 좁은 피크를 보여줌으로써 확인된다.
• 측정된 힘 노이즈는 t^(-1/2) 스케일링을 따르며, 이는 확률 과정에 기대어 정상적인 스케일링임을 확인하고, 약 300초의 적분 시간에서 ~1 zN 수준의 힘을 감지할 수 있음을 보여준다.
• 주입된 광학적 힘 127 zN은 주입 잠금 상태에서 DFT 진폭 증가에 대한 교정을 통해 성공적으로 측정되었으며, 이는 감지 프로토콜의 타당성을 검증한다.
• 주입 잠금 시스템에서의 위상 끌림 및 진동선 좁힘에 대한 이론적 예측은 실험 관측과 양호한 일치를 보였다.
• 시스템은 중간 대역폭에서 약 1 zN 수준의 힘 감지를 가능하게 하여, 비뉴턴 중력과 짧은 거리 상호작용의 시험에 기여할 잠재력을 보였다.