[논문 리뷰] Optomechanically-induced chiral transport of phonons in one dimension

Xunnong Xu, Jacob M. Taylor|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 10.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 일차원 광기계 고리 공진기에서 레이저 펌프가 방향성 광기계 결합을 통해 상호성 파괴를 일으켜 나선형 영동자의 운반을 유도한다고 제안한다. 무질서에 대한 도표적 섭동 이론을 사용하여, 반대 방향으로 진행하는 모드에 대해 위상 일치 비대칭으로 인해 영동이 억제됨을 보이며, 이는 방향 의존성 영동과 줄어든 선폭으로 이어진다—이는 통합 플랫폼에서 비상호성 기계 시스템을 실현하는 데 핵심적이다.

ABSTRACT

Non-reciprocal devices, with one-way transport properties, form a key component for isolating and controlling light in photonic systems. Optomechanical systems have emerged as a potential platform for optical non-reciprocity, due to ability of a pump laser to break time and parity symmetry in the system. Here we consider how the non-reciprocal behavior of light can also impact the transport of sound in optomechanical devices. We focus on the case of a quasi one dimensional optical ring resonator with many mechanical modes coupled to light via the acousto-optic effect. The addition of disorder leads to finite diffusion for phonon transport in the material, largely due to elastic backscattering between clockwise and counter-clockwise phonons. We show that a laser pump field, along with the assumption of high quality-factor, sideband-resolved optical resonances, suppresses the effects of disorder and leads to the emergence of chiral diffusion, with direction-dependent diffusion emerging in a bandwidth similar to the phase-matching bandwidth for Brillouin scattering. A simple diagrammatic theory connects the observation of reduced mechanical linewidths directly to the associated phonon diffusion properties, and helps explain recent experimental results.

연구 동기 및 목표

• 일차원 무질서 시스템에서 단방향 레이저 펌프와의 광기계 결합이 비상호성 영동을 어떻게 유도하는지 이해하는 것.
• whispering-gallery 마이크로공진기에서 관측된 시계방향 및 반시계방향 영동 모드의 반대 방향 선폭 수정을 설명하는 것.
• 측정 가능한 광학적 양(예: Q 인자)과 무질서 및 광기계 결합 존재 하에서의 영동 간의 이론적 프레임워크 수립.
• 이전의 최소 모델을 확장하여 사이드밴드 해상도가 있는 광기계 체계에서 다중 모드 영동 역학과 연속 무질서 산산화를 포함하는 것.
• 광학적으로 유도된 나선형 영동과 실험적으로 측정 가능한 영동 선폭 간의 연결을 제공하는 도표적 섭동 이론 수립.

제안 방법

• 상반된 방향의 광학 모드와 연속적인 영동 모드를 갖는 다중 모드 광기계 해밀토니안을 수립하며, 이는 음향-광학 효과에 의해 결합된다.
• 헤이젠베르크-랑제비안 형식을 적용하여, 펌프 레이저와 무질서의 영향을 받는 영동에 대한 선형 반응 함수를 유도한다.
• 무질서 잠재력에 대한 도표적 섭동 이론을 사용하여 영동 자기에너지와 영동 상수를 계산하며, 주로 역산산산 과정에 초점을 맞춘다.
• 펌프 전력과 위상 일치 대역폭에 대한 의존성을 보여주는 효과적 영동 상수 D에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 랜덤 산산화 잠재력과 다양한 펌프 전력 조건에서 선형 반응 함수의 수치 시뮬레이션과 분석 예측을 비교한다.
• 영동 상수를 레이저 없음 경우 D₀로 정규화하고, 위상 일치 상태의 수에 기반한 영동 억제의趋세 한계를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단방향 레이저 펌프는 무질서가 있는 광기계 시스템에서 어떻게 방향 의존성 영동을 유도하는가?
• RQ2 광기계 결합이 무질서가 존재하는 상황에서도 영동의 역산산산을 어떻게 억제하는가?
• RQ3 펌프 전력 증가에 따라 반대 방향으로 진행하는 영동 모드의 영동 선폭은 어떻게 변화하며, 그 비대칭성의 근본 원인은 무엇인가?
• RQ4 실험적으로 관측된 한 방향 영동에 대한 Q 인자의 감소는 무질서와 광기계 결합의 섭동 이론으로 얼마나 잘 설명될 수 있는가?
• RQ5 위상 일치 대역폭과 상태 밀도는 영동 억제 정도를 제한하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 고전적 펌프 전력에서 반대 방향으로 진행하는 (CCW) 영동에 대한 효과적 영동 상수 D는 최대 1 − 1/(2πργ)까지 감소하며, 유한한 위상 일치 대역폭으로 인해趋세에 도달한다.
• 광학 모드에 결합된 영동(CW)의 선폭은 광기계 냉각으로 인해 증가하는 반면, 반대 방향(CCW) 모드의 선폭은 역산산산 억제로 인해 감소한다.
• 도표적 섭동 이론은 동일한 펌프 조건에서 시계방향 및 반시계방향 영동 모드의 반대 방향 선폭 변화를 실험적으로 관측한 결과를 성공적으로 설명한다.
• 선형 반응 함수의 수치 시뮬레이션은 분석 공식 D/D₀ ≈ 1 − 1/(2πργ)와 뛰어난 일치를 보이며, 적합된 매개변수는 이론적 예측과 일치한다.
• 영동 억제의 근본 원인은 광학적으로 수정된 전진 영동에 관여하는 역산산산 기여가 감소한 데 기인하며, 고전적 젠조 효과와 유사하다.
• 영동 억제의 최대 정도는 위상 일치 대역폭 내의 영동 모드 수에 의해 제한되며, 이는 ργ로 정량화되며, 여기서 ρ는 상태 밀도이고 γ는 모드 일치 폭이다.