[논문 리뷰] Squeezing of a nanomechanical oscillator

Sumei Huang, G. S. Agarwal|ArXiv.org|2009. 05. 26.

Force Microscopy Techniques and Applications참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 해소된 사이드밴드 영역에서 파이어-페로 공진기 내에 광대역 양자비틀림 진공 빛과 레이저를 주입하여 나노기계 진동자에서 큰 동량 비틀림을 생성하는 방법을 제안한다. 양자 광기계학을 이용해, 비틀림 매개변수 r ≈ 1일 때 70% 이상의 동량 비틀림을 달성할 수 있으며, 1 mK에서 열 노이즈 대비 동량 변동성이 100배 이상 감소함을 보여준다.

ABSTRACT

We show that squeezing of a nanomechanical mirror can be generated by injecting broad band squeezed vacuum light and laser light into the cavity. We work in the resolved sideband regime. We find that in order to obtain the maximum momentum squeezing of the movable mirror, the squeezing parameter of the input light should be about 1. We can obtain more than 70% squeezing. Besides, for a fixed squeezing parameter, decreasing the temperature of the environment or increasing the laser power increases the momentum squeezing. We find very large squeezing with respect to thermal fluctuations, for instance at 1 mK, the momentum fluctuations go down by a factor more than one hundred.

연구 동기 및 목표

• 외부 비틀림 빛과 레이저 펌프를 이용해 나노기계 거울에서 큰 동량 비틀림을 생성하는 실용적인 방법을 보여주기.
• 환경 온도, 레이저 출력, 입력 비틀림 매개변수의 영향을 고려해 동량 비틀림 정도를 조사하기.
• 공진기 내 복사압 결합이 저온에서 표준 양자 한계 이하로 동량 변동성을 크게 감소시킬 수 있음을 보여주기.
• 거시적 기계 시스템에서 비고전적 상태를 생성하는 확장 가능한 방법을 제공하여 양자 센싱 및 정보 처리에 기여하기.

제안 방법

• 해소된 사이드밴드 영역에서 복사압을 통해 구동되는 광학 공진기와 결합된 양자 조화 진동자로 나노기계 거울을 모델링하기.
• 공진기 필드 에너지, 거울의 운동 에너지 및 위치 에너지, 비틀림 매개변수 g 비례하는 광기계 결합, 그리고 복소 진폭 ε를 통한 레이저 입력을 포함하는 해밀토니안 사용하기.
• 거울의 위치 Q와 동량 P, 그리고 공진기 필드 연산자 c에 대한 양자 랑주반 방정식 유도; 비틀림 진공과 레이저에서 유래한 입력 노이즈 포함하기.
• 선형화된 동역학과 입출력 이론을 사용해 정 steady-state 평균값과 변동성을 계산하며, 동량 분산 ⟨δP̃²⟩에 초점 맞추기.
• 비틀림 매개변수 r인 주파수 ωS에서 비틀림 진공 입력을 도입하고, 공진기 입력 필드 cin에 비고전적 노이즈 항을 통해 모델링하기.
• ⟨δP̃²⟩의 수치적 시뮬레이션을 통해 동량 비틀림의 감도를 비틀림 Δ₀, 온도 T, 레이저 출력 ℘, 비틀림 매개변수 r에 따라 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공진기에 레이저 빛과 광대역 비틀림 진공을 주입함으로써 나노기계 거울의 동량 비틀림을 생성할 수 있는가?
• RQ2 입력 빛의 최적 비틀림 매개변수 r는 거울의 동량 비틀림을 최대화하는가?
• RQ3 환경 온도는 달성 가능한 동량 비틀림에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 레이저 출력을 증가시켜 열 노이즈를 상쇄함으로써 측정 가능한 비틀림을 달성할 수 있는가?
• RQ5 복사압 결합은 비결합 상태에 비해 동량 변동성을 얼마나 감소시키는가?

주요 결과

• 비틀림 매개변수 r ≈ 1일 때, 나노기계 거울의 동량 비틀림은 약 75%에 이르며, 이는 영온도에서 최소 동량 분산 0.252에 해당한다.
• 1 mK에서 거울의 동량 변동성이 열 노이즈 대비 100배 이상 감소하여 열 배경에 비해 극도로 큰 비틀림을 보여준다.
• 환경 온도를 10 mK에서 0 K로 낮추면 최소 동량 분산이 3.919에서 0.252로 감소하여 저온에서 비틀림이 향상됨을 확인한다.
• 레이저 출력을 0.6 mW에서 6.9 mW로 증가시키면, 10 mK에서 최소 동량 분산이 3.919에서 0.731로 감소하여 고출력이 열 노이즈를 극복하고 비틀림을 가능하게 함을 보여준다.
• 복사압 결합이 존재할 경우, 고온에서도 비결합 상태에 비해 항상 동량 분산이 크게 낮아짐을 확인한다.
• 공진기가 복사압 결합이 거울의 효과적 감쇠 및 노이즈 스펙트럼을 최적화할 수 있도록 튜닝된 경우에 동량 비틀림이 최대가 된다.