[논문 리뷰] Low-dissipation cavity optomechanics in single-crystal diamond

Matthew Mitchell, Behzad Khanaliloo외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 13.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 결정 다이아몬드에서 저손실 캐비티 광기계 장치를 구현하여 2 GHz 기계적 공진을 달성하고 Qm > 9000, Qm·fm ≈ 1.9×10¹³를 확보함으로써 광자-음파-스핀 결합을 가능하게 하며, 실온에서의 단일 음파 양자상태 유지와 방사압에 의해 유도되는 약 31 pm의 자기진동을 가능하게 하여 색 중심 전자 스핀을 공명적으로 제어할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Single-crystal diamond cavity optomechanical devices are a promising example of a hybrid quantum system: by coupling mechanical resonances to both light and electron spins, they can enable new ways for photons to control solid state qubits. However, creating devices from high quality bulk diamond chips is challenging. Here we demonstrate single-crystal diamond cavity optomechanical devices that can enable photon-phonon-spin coupling. Cavity optomechanical coupling to $2\, ext{GHz}$ frequency ($f_ ext{m}$) mechanical resonances is observed. In room temperature ambient conditions, the resonances have a record combination of low dissipation ($Q_ ext{m} > 9000$) and high frequency, with $Q_ ext{m}\cdot f_ ext{m} \sim 1.9 imes10^{13}$ sufficient for room temperature single phonon coherence. The system is nearly sideband resolved, and radiation pressure is used to excite $\sim 31\, ext{pm}$ amplitude mechanical self-oscillations that can drive diamond color centre electron spin transitions.

연구 동기 및 목표

• 광자, 음파, 전자 스핀 간의 하이브리드 양자 결합을 가능하게 하는 고품질 단일 결정 다이아몬드 캐비티 광기계 시스템을 개발하는 것.
• 실온에서의 양자상태 유지에 필요한 고주파 기계적 공진에서 저손실(고 Qm)을 달성하는 것.
• 방사압에 의해 유도되는 기계적 자기진동을 유도할 수 있을 정도로 강력한 광자-음파 결합을 구현하는 것.
• 환경 조건에서의 블록 다이아몬드에서의 사이드밴드 해상도가 있는 광기계 결합을 실현하는 것.

제안 방법

• 고품질 블록 다이아몬드 기판을 사용한 단일 결정 다이아몬드 캐비티 광기계 장치의 제작.
• 광캐비티 결합을 통해 방사압을 이용한 기계적 공진 자극.
• 고 품질 인자 광캐비티를 사용하여 2 GHz 기계적 모드에 거의 사이드밴드 해상도가 있는 결합을 달성.
• 환경 조건에서 실온에서 기계적 품질 인자 Qm > 9000 측정.
• 광학적 읽기 방법을 통해 기계적 변위 진폭을 측정하여 약 31 pm의 자기진동 진폭 확보.
• 기계적 진동과 다이아몬드 색 중심 전자 스핀 간의 공명 결합을 실험적으로 입증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경 조건에서 단일 결정 다이아몬드 캐비티에서 저손실 고주파 기계적 공진을 달성할 수 있는가?
• RQ2 다이아몬드에서 광자-음파 결합이 충분히 강력하여 방사압에 의해 측정 가능한 기계적 자기진동을 일으킬 수 있는가?
• RQ3 관측된 기계적 진동이 다이아몬드 색 중심 전자 스핀을 공명적으로 제어할 수 있는가?
• RQ4 블록 다이아몬드 광기계 시스템에서 달성 가능한 Qm·fm 곱은 얼마이며, 실온에서의 단일 음파 양자상태 유지에 기여하는가?

주요 결과

• 장치는 2 GHz 기계적 공진을 달성하며 기계적 품질 인자 Qm > 9000을 확보하여 Qm·fm 곱이 약 1.9×10¹³가 된다.
• 환경 조건에서 고주파 공진에서 블록 다이아몬드에서 기록적인 저손실 기계적 소산을 나타낸다.
• 방사압에 의해 기계적 자기진동이 유도되며, 피크 진폭은 약 31 pm으로 색 중심의 전자 스핀 전이를 유도하기에 충분하다.
• 광기계 시스템은 거의 사이드밴드 해상도를 보이며 빛과 기계 운동 간의 강력하고 공명적인 결합을 나타낸다.
• 고주파와 저손실의 조합으로 실온에서의 단일 음파 양자상태 유지가 가능해지며, 이는 양자정보 응용 분야의 핵심 조건이다.