[논문 리뷰] Long-lived guided phonons in fiber by manipulating two-level systems

Ryan O. Behunin, Prashanta Kharel외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 18.

Optical Network Technologies참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 냉각된 실리카 섬유에서 두 수준 턨널링 상태(TLSs)가 강한 음향 비임을 통해 광학적 투과성 상태로 유도될 수 있음을 보여주며, 1.1 K에서 이들의 비산동 기여도가 최대 45배 감소한다. 밀도가 높은 광자-음파 파동구에서의 교차 포화를 활용하여 저자들은 12,000 이상의 음파 Q 인자가 초과되고, 1 mm 이상의 감쇠 길이를 달성하였으며, 가장 긴 수명에서 레일리 산란이 주요 손실 기 mechanism 으로 드러났다.

ABSTRACT

The synthesis of ultra-long lived acoustic phonons in a variety of materials and device geometries could enable a range of new coherent information processing and sensing technologies; many forms of phonon dissipation pose a barrier to this goal. We explore linear and nonlinear contributions to phonon dissipation in silica at cryogenic temperatures using fiber-optic structures that tightly confine both photons and phonons to the fiber-optic core. When immersed in helium, this fiber system supports nearly perfect guidance of 9 GHz acoustic phonons; strong electrostrictively mediated photon-phonon coupling (or guided-wave stimulated Brillouin scattering) permits a flexible form of laser-based phonon spectroscopy. Through linear and nonlinear phonon spectroscopy, we isolate the effects of disorder-induced two-level tunneling states as a source of phononic dissipation in this system. We show that an ensemble of such two-level tunneling states can be driven into transparency--virtually eliminating this source of phonon dissipation over a broad range of frequencies. Experimental studies of phononic self-frequency saturation show excellent agreement with a theoretical model accounting for the phonon coupling to an ensemble of two-level tunneling states. Extending these results, we demonstrate a general approach to suppress dissipation produced by two-level tunneling states via cross-saturation, where the lifetime of a phonons at one frequency can be extended by the presence of a high intensity acoustic beam at another frequency. Although these studies were carried out in silica, our findings are quite general, and can be applied to a range of materials systems and device geometries.

연구 동기 및 목표

• 냉각된 실리카 섬유에서 질서에 기인한 두 수준 터널링 상태(TLSs)가 음파 소산에 기여하는 것을 분리하고 제어하는 것.
• 강한장 레이저 조명을 통해 TLSs를 투과성 상태로 유도할 수 있음을 보여주어 그들의 소산 효과를 억제하는 것.
• 다른 음향 모드 간의 교차 포화를 통해 음파 수명을 연장하는 일반적인 방법을 개발하는 것.
• 냉각 조건 하에서 초장수명 음파 시스템에서 주요 손실 기 mechanism 을 규명하는 것.
• 다양한 재료와 장치 기하학적 형태에 적용 가능한 확장 가능한 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 광자와 음파를 핵심부에서 강하게 구속하는 섬유 광학 플랫폼을 사용하여, 강한 전기압축성 광자-음파 결합을 가능하게 하였다.
• mW 수준의 광학적 출력을 사용하여 비파괴적으로 9.2 GHz 유도 음파를 자극하고 탐지하기 위해 레이저 기반 음파 분광법을 적용하였다.
• 선형 및 비선형 분광법을 사용하여 밀도, 결합 강도, 회복 시간 등의 TLS 매개변수를 추출하였다.
• 이산 TLS 합을 에너지 및 터널링 분리에 대한 연속 적분으로 변환하기 위해 에르고딕 가정을 사용하였다.
• TLS-음파 결합의 스핀-보존 모델을 사용하여 공진 및 회복 유도 감쇠율(Γ_res 및 Γ_rel)에 대한 해석적 표현을 유도하였다.
• 한 주파수에서 고강도 음향 비임을 적용하여 다른 주파수에서의 소산을 억제함으로써 교차 포화를 도입하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각된 실리카 섬유에서 두 수준 터널링 상태(TLSs)가 음파 소산에 얼마나 큰 기여를 하는가?
• RQ2 강한장 자극을 통해 TLS의 소산을 억제할 수 있으며, 만약 가능하면 그 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 교차 포화가 서로 다른 TLS 유도 손실을 상호 억제함으로써 음파 수명을 연장하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 가장 긴 음파 공명 수명에서, TLSs와 레일리 산란 중 어느 것이 주요 손실 기 mechanism 인가?
• RQ5 이 제안된 방법은 다양한 재료와 파동구 기하학적 형태에 걸쳐 TLS 소산을 억제하는 데 얼마나 일반적으로 적용 가능한가?

주요 결과

• 냉각된 실리카 섬유에서 두 수준 터널링 상태(TLSs)가 음파 소산의 주요 원인으로 규명되었으며, 강한장 자극을 통해 최대 45배 감소된 소산 기여도를 기록하였다.
• 시스템은 12,000 이상의 음파 Q 인자와 1 mm 이상의 감쇠 길이를 달성하여, 거의 이상적인 유도 음파 전파를 나타내었다.
• 교차 포화가 실험적으로 입증되었으며, 한 주파수에서 고강도 음향 비임을 통해 다른 주파수에서의 음파 수명이 연장됨을 확인하였다.
• 음파 자기주파수 포화 측정 결과는 TLS 집단 역학을 포함한 이론 모델과 뛰어난 일치를 보였다.
• 가장 긴 관측 음파 수명에서 레일리 산란이 TLS 기여를 초월하여 주요 손실 기 mechanism 으로 규명되었다.
• 이론적 프레임워크는 포화의 임계 강도를 성공적으로 예측하였으며, 임계 강도는 최소 TLS 회복 시간(τ_min)에 반비례하였다.