[논문 리뷰] Thermomechanical two-mode squeezing in an ultrahigh $Q$ membrane resonator

Yogesh Sharad Patil, Srivatsan Chakram외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 27.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 초고품질 인버티드 실리콘 카바이드 막 진동자에서 두 개의 기계 모드 간의 기판 유도 비선형 결합을 통해 비퇴도성 파arametric 증폭 및 이중모드 열기계 잡음 압축을 실험적으로 구현한다. 두 기계 모드의 주파수 합 근처에서 기판을 진동시킴으로써 저자들은 강력하고 조절 가능한 비선형성을 달성하였으며, 이는 20 dB를 초월하는 양자 한계에 도달하는 잡음 압축을 가능하게 하였다. 독립적으로 측정된 매개변수를 기반으로 한 모델은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보였다.

ABSTRACT

We realize a nondegenerate parametric amplifier in an ultrahigh $Q$ mechanical membrane resonator and demonstrate two-mode thermomechanical noise squeezing. Our measurements are accurately described by a two-mode model that attributes this nonlinear mechanical interaction to a substrate-mediated process which is dramatically enhanced by the quality factors of the individual modes. This realization of strong multimode nonlinearities in a mechanical platform compatible with quantum-limited optical detection and cooling makes this a powerful system for nonlinear approaches to quantum metrology, transduction between optical and phononic fields and the quantum manipulation of phononic degrees of freedom.

연구 동기 및 목표

• 양자 미측정 및 포논 상태 공학에 적합한 기계 진동자 플랫폼에서 강력하고 조절 가능하며 양자 친화적인 비선형 상호작용을 실현하기 위해.
• 높은 강도의 다중모드 비선형성을 확보하면서도, 양자 제어에 필요한 엄격한 열적 및 위상 일관성 조건을 유지하는 데 도전하는 데에.
• 초고품질 인버티드 실리콘 카바이드 막 진동자에서 큰 f×Q 제품과 온도계량 및 양자 한계 감도 측정과의 호환성을 갖는 시스템에서 비퇴도성 파arametric 증폭 및 이중모드 열기계 잡음 압축을 실험적으로 구현하기 위해.
• 기판을 통한 매개변수 기반의 비선형 결합 메커니즘이 서로 다른 기계 모드 간의 비선형 상호작용의 주요 원인임을 규명하고, 고품질 인버티드 모드를 통해 상호작용 강도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 품질 인자 Q > 10×10⁶ 이며 f×Q > 1×10¹⁴ Hz인 고응력 실리콘 카바이드 막 진동자를 사용하여 장수명 위상 일관성과 고감도를 확보한다.
• 두 기계 모드 주파수의 합(ωi + ωj) 근처에서 기판을 진동시켜 파라메트릭 과정을 유도하기 위해 피에조 전기적 또는 광열적 구동을 시행한다.
• 신호 및 아이디얼 모드의 개별 모드를 해상하고 모니터링하기 위해 위상 민감한 락인 검출을 갖춘 마이켈슨 간섭계를 사용하며, 세 번째 고품질 모드를 활성 주파수 안정화에 활용한다.
• 비선형 상호작용을 기술하기 위해 파라메트릭 증폭의 이중모드 모델을 적용하며, 기판 모드의 고품질 인자로 인해 결합 강도가 증폭됨을 고려한다.
• 신호 및 아이디얼 모드의 위상 의존성 증폭도를 측정하여 비퇴도성 파라메트릭 증폭을 확인하고, 20 dB 이상의 탈증폭을 달성한다.
• 두 막 진동자의 변위에서 유도된 교차 퀀텀 변수를 구성하고, 펌프 자극 하에서의 위상 공간 분포를 분석함으로써 이중모드 압축을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고품질 인자와 함께 작동하는 기계 진동자 플랫폼에서 강력하고 조절 가능하며 양자 친화적인 다중모드 비선형성을 실현할 수 있는가?
• RQ2 기판을 통한 매개변수 기반 결합이 서로 다른 기계 모드 간의 파라메트릭 상호작용 강도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 큰 f×Q와 낮은 산란 손실을 갖는 기계 시스템에서 열기계적 이중모드 압축을 실험적으로 입증할 수 있는가?
• RQ4 펌프, 신호, 아이디얼 필드 간의 위상 관계가 비퇴도성 파라메트릭 증폭기에서 잡음 압축 정도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 열 평균화의 영향을 받는 상황에서 기대 가능한 최대 기계적 압축은 얼마이며, 약한 측정과 피드백을 통해 이를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 비퇴도성 파라메트릭 증폭이 실현되었으며, 파라메트릭 탈증폭이 20 dB를 초과하여 두 기계 모드 간의 강력한 비선형 결합을 입증하였다.
• 신호 모드의 위상 의존성 증폭 측정 결과는 이론 모델과 뛰어난 일치를 보였으며, 피팅을 통해 추출한 펌프 진폭은 독립적으로 측정된 값과 5% 이내로 일치하였다.
• 열기계적 이중모드 잡음 압축이 관측되었으며, 펌프 필드에 의해 유도된 상관관계로 인해 위상 공간 분포가 현저히 타원형으로 변형되었다.
• 압축에 대한 실험 데이터는 독립적으로 측정된 시스템 매개변수(품질 인자, 대역폭, 구동 진폭 포함)를 기반으로 한 자유 매개변수 없는 모델과 매우 우수한 일치를 보였다.
• 모델은 최대 안정 상태 압축이 필드 위상에 대한 열 평균화로 인해 제한됨을 예측하지만, 약한 측정과 피드백을 적용할 경우 40 dB 이상의 기계적 압축이 달성 가능할 것으로 예측된다.
• 활성 광열 피드백을 통해 1000초 동안 주파수 안정도가 1 ppb 이내로 확보되어, 열기계적 잡음 및 압축의 정밀한 장기 측정이 가능해졌다.