[논문 리뷰] Single Polariton Optomechanics

Juan Restrepo, Cristiano Ciuti외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 16.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 인공 이준위 원자가 캐비티 광자 모드와 기계 진동자와 강하게 결합된 하이브리드 양자 시스템을 제안한다. 해밀토니언을 해석적으로 풀어, 원자-캐비티-기계계 핵심 상태가 정확한 고유모드로 나타남을 보이며, 이는 단일 핵심 상태 수준에서 기계 운동을 초고효율적으로 냉각시키고, 일관된 또는 비일관된 주입 조건 하에서 비고전적 진동수 통계, 즉 반구성과 음의 위그너 함수를 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper investigates a novel hybrid cavity QED-optomechanics situation. We solve the Hamiltonian problem of a cavity coupled both to a two-level atom via a Jaynes-Cummings coupling and to a mechanical motion via radiation pressure coupling. The atom-cavity polariton number operator commutes with the total Hamiltonian leading to an exact analytical solution involving tripartite atom-cavity-mechanics polarons. Under optical pumping of polaronic transitions the system displays unusual atom-assisted cooling and amplification of mechanical motion. We demonstrate the possibility to obtain enhanced optomechanical cooling at the single polariton level, strong bunching of phonons, and describe the peculiar quantum noise statistics of mechanical motion in the single polariton amplification limit.

연구 동기 및 목표

• 단일 핵심 상태 수준에서 캐비티 QED와 옵티오메카닉스를 통합한 하이브리드 양자 시스템을 개발하기 위해.
• 단일 이준위 원자가 캐비티 모드와 기계 진동자에 결합된 동역학을 조사하기 위해.
• 단일 인공 원자의 존재가 옵티오메카닉스 냉각 효율을 어떻게 향상시키고 진동수 통계를 어떻게 변화시키는지 탐구하기 위해.
• 삼중도 양자 시스템에서 비고전적 기계 상태, 예를 들어 진동수 반구성과 음의 위그너 함수를 어떻게 유도할 수 있는지 보여주기 위해.

제안 방법

• 두준위 원자와 캐비티 모드 사이의 제이너스-커밍스 결합과 캐비티와 기계 모드 사이의 복사압력 결합을 포함하는 해밀토니언을 사용하여 시스템을 모델링한다.
• 전체 해밀토니언은 고정된 핵심 상태 수에 대응하는 부분공간에서 블록 대각화되며, 이는 $ \hat{N}_{\text{polariton}} = \hat{a}^\dagger\hat{a} + \hat{\sigma}_+\hat{\sigma}_- $ 로 정의된다. 이로 인해 해석적 대각화가 가능해진다.
• 고유상태는 삼중도 원자-캐비티-기계계 핵심 상태로 구성되며, 각 $ n $-핵심 상태 부분공간에서의 핵심 상태-진동수 기저 $ |\pm^{(n)}\rangle \otimes |l\rangle $ 를 사용하여 시스템을 기술한다.
• 손실과 주입 조건 하에서의 동역학은 마스터 방정식 접근법을 사용하여 분석하며, 일관된 및 비일관된 주입 방식을 모두 고려한다.
• 진동수 통계는 두 번째 순서 상관 함수 $ G_2 $ 를 통해 특성화되며, 비고전성은 위그너 함수를 계산하여 평가한다.
• 수치 시뮬레이션과 해석적 해를 비교하여 결과를 검증하며, 특히 비일관된 주입 및 아랫포isson 진동수 방출의 경우에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 이준위 원자가 옵티오메카닉스 캐비티에서 기계 운동의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 단일 인공 원자의 존재가 하이브리드 옵티오메카닉스 시스템에서 진동수의 양자 통계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 삼중도 원자-캐비티-기계계 시스템에서 음의 위그너 함수를 가진 비고전적 기계 상태가 어떻게 발생할 수 있는가?
• RQ4 핵심 상태의 구조가 진동수 반구성과 강한 아랫포isson 방출을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 1-핵심 상태에 대한 비일관된 주입이 비고전적 통계를 가진 단일 진동수를 제어적으로 방출시킬 수 있는가?

주요 결과

• 기존의 옵티오메카닉스에 비해 원자 보조 냉각이 수개의 주기로 향상되어 단일 핵심 상태 수준에서 강력한 냉각이 가능해졌다.
• 기계 품질 요소 $ Q_m = 10^6 $ 인 경우 최적의 주입 조건 하에서 정적 진동수 수가 크게 감소하며, 원자의 존재로 인해 냉각 효율이 향상된다.
• 상핵심 상태에 맞춘 일관된 주입 조건 하에서 기계 위그너 함수의 음의 값이 관측되며, 이는 비고전적 진동수 통계의 증거이며, 유한한 온도의 열 bath 조건에서는 사라진다.
• 1-핵심 상태에 대한 비일관된 주입은 $ G_2 \ll 1 $ 인 아랫포isson 진동수 통계를 유도하며, 이는 진동수 반구성을 나타낸다.
• 비일관된 주입의 경우 해석적 해가 수치 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보이며, 약한 주입 조건 하에서 모델의 타당성을 검증한다.
• 특정 주입 조건 하에서 시스템은 강한 진동수 군집화와 증폭을 보이며, 원자적 자유도와 기계적 자유도 사이의 풍부한 상호작용을 드러낸다.