[논문 리뷰] Unconventional photon blockade in coupled optomechanical systems

Vincenzo Savona|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 24.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 약한 광기계 결합 조건에서 상호연결된 광기계 시스템에서 비정상적인 광자 차단(UPB)이 두 광자 상태로의 흥(excitation) 경로 간의 파괴적 양자 간섭으로 인해 발생할 수 있음을 보여준다. 기존의 광자 차단과 달리, UPB는 Δg ~ 10⁻⁴κ에서 10⁻¹κ 정도의 작은 비선형 이동만을 요구하므로 현재의 실험적 광기계 시스템에서 실현 가능하다. g/κ ~ 0.1–1 수준의 시스템에서 구현 가능하다.

ABSTRACT

We show that in laser-driven coupled optomechanical systems, photon antibunching can occur under weak optomechanical coupling, contrarily to common expectation. This unconventional photon blockade originates from destructive quantum interference between different excitation pathways bringing from the ground to two-photon states. Using a quantum open-system approach, we study the antibunching as a function of driving field amplitude, temperature, and pure dephasing rate, and derive optimal values of the system parameters for its occurrence. These values are remarkably close to those characterizing optomechanical systems in some current experimental studies.

연구 동기 및 목표

• 비선형성이 강하지 않은 상황에서 광자 반구성(antibunching)이 양자 간섭에 의해 유도되는 비정상적인 광자 차단(UPB)이 상호연결된 광기계 시스템(OMSs)에서 실현 가능한지 조사하기 위해.
• 특히 약한 광기계 결합 조건에서 낮은 비선형성에도 불구하고 UPB가 발생할 수 있는 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• 순수한 비편향, 열 노이즈, 그리고 외부 자극장 강도와 같은 실험적 비완전성에 대한 UPB의 견고성 평가를 위해.
• 현재의 실험적 광기계 시스템과의 비교를 통해 UPB 관측에 적합한 후보를 식별하기 위해.

제안 방법

• 광학 모드 두 개로 구성된 구동-소산 양자 광기계 해밀토니안의 체계적 기반을 제공하며, 그 중 하나의 광학 모드가 복사압에 의해 기계 진동자와 결합된다.
• 폴라론 변환을 사용하여 광기계 결합을 효과적인 비선형 이동 Δg = g²/ωm로 매핑함으로써 시스템의 비조화 스펙트럼 분석이 가능하도록 한다.
• 마코프 소산 및 붕괴를 모델링하기 위해 바나흐 방정식과 리드블라드 마스터 방정식을 적용한다.
• 순수한 비편향은 Γ 비례 리드블라드 항을 통해 포함되며, 열 효과는 기계적 열 bath에 대해 Nth = (e^{ωm/kBT} − 1)⁻¹로 기술된다.
• 두 번째 순서 상관 함수 g⁽²⁾(0)의 수치적 계산을 통해 광자 반구성 정도를 정량화하고, J, Γ, ε, T 및 시스템 매개변수를 체계적으로 변화시킨다.
• 폴라론 접근법과 약한 결합 영역의 타당성을 확보하기 위해, 잘 분리된 사이드밴드 조건(ωm ≫ κ) 하에서 시스템을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 광기계 결합 조건에서 상호연결된 광기계 시스템에서 비정상적인 광자 차단(UPB)이 기존의 기대와는 달리 실현 가능한가?
• RQ2 손실과 비편향 존재 조건에서 자극장 강도가 UPB의 발생 및 견고성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 순수한 비편향과 열 노이즈가 UPB의 명확성에 미치는 영향은 무엇이며, 어떤 매개변수 임계값이 이를 억제하는가?
• RQ4 현재의 실험적 광기계 시스템 중 UPB 관측에 최적의 조건을 충족하는 것은 무엇인가?
• RQ5 효과적인 비선형 이동 Δg = g²/ωm이 두 광자 흥(excitation) 경로에서의 간섭의 파괴적 성격에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• UPB는 약한 광기계 결합 조건에서도 상호연결된 광기계 시스템에서 발생할 수 있으며, 최적의 Δg 범위는 10⁻⁴κ에서 10⁻¹κ 사이이다. 이는 기존의 광자 차단이 Δg/κ ≳ 1을 요구하는 것과 대비된다.
• 순수한 비편향은 UPB를 억제하며, Γ ≈ 0.01κ에서 완전한 억제가 관측된다. 이는 Δg ≫ Γ 조건이 파괴적 간섭을 유지하기 위해 필수적임을 시사한다.
• KB T ≥ ωm일 경우 열 효과가 뚜렷해지며, g⁽²⁾(0)이 열적으로 증가하는 경향이 나타나며, KB T > 150κ일 경우 g⁽²⁾(0) > 0.1이 된다.
• 광기계 결정 나노빔 시스템(ωm/κ = 24, g/κ = 5×10⁻³)은 주요 후보이며, g/κ를 20배 향상시키고 약 1 K로 냉각하면 최적의 UPB를 달성할 수 있다.
• 실리카 토이로이드 마이크로레조네이터(ωm/κ = 11, g/κ = 5×10⁻⁴)와 마이크로파 결합 마이크로기계 진동자(ωm/κ = 50, g/κ = 10⁻³)도 소량의 조정만으로 핵심 UPB 조건을 충족한다.
• 파브리-페로 GaAs/AlAs 마이크로레조네이터(ωm/κ = 1.7, g/κ = 4×10⁻³)는 현재의 κ 값으로도 UPB를 지지할 수 있으나, 낮은 ωm/κ 비율로 인해 철저한 시스템 설계가 필요하다.