[論文レビュー] Motional Sideband Asymmetry in Quantum Optomechanics in the Presence of Kerr-type Nonlinearities

Liu Qiu, Itay Shomroni+4 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2018

Mechanical and Optical Resonators被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、解像されたサイドバンド領域で動作するナノオプトメカニカル系において、Kerr型非線形性が運動モードサイドバンド非対称性をどのように歪めるかを調査する。赤線および青線にデチューンされたレーザーを同時に適用することで、著者らは補助的冷却レーザーが時間周期的内部場を生成し、熱力学的機械的サイドバンドを結合させることで人工的な非対称性を引き起こすことを示した。Floquetに基づく理論モデルは、観測されたずれを正確に説明しており、複数の周波数を用いた量子測定計画への影響を示している。

ABSTRACT

Asymmetry in the motional sideband spectrum is a signature of the quantum regime of mechanical oscillators. It enables self-calibrated thermometry measurements, and has recently been experimentally studied in several optomechanical systems. Here, we present motional sideband asymmetry measurements in the well-resolved sideband regime of a nano-optomechanical system sideband-cooled close to the ground state and probed simultaneously with red- and blue-detuned lasers. We show that the nonlinear cavity response, induced for example by the thermo-optical frequency shift or the Kerr effect, can lead to an artificially modified motional sideband asymmetry. The presence of an auxiliary drive, such as the sideband cooling laser, creates an oscillating intracavity field which leads to coupling of originally independent thermomechanical sidebands and modifies the observed sideband asymmetry. We develop a theoretical model based on Floquet theory that accurately describes our observations. This phenomenon has wide-ranging implications for schemes utilizing several probing or pumping tones, as commonly employed in backaction-evading measurements, dissipative optical squeezing, dissipative mechanical squeezing, as well as recent demonstrations of non-reciprocal devices.

研究の動機と目的

• Kerr型非線形性が量子オプトメカニカル系における運動モードサイドバンド非対称性に与える影響を理解すること。
• サイドバンド冷却レーザーなどの補助的駆動が観測されるサイドバンド非対称性をどのように変化させるかを調査すること。
• これらの系における非線形および時間周期的ダイナミクスを正確に捉える理論的枠組みを構築すること。
• これらの効果が、複数のプローブまたはポンピング周波数に依存する量子測定プロトコルに与える影響を評価すること。

提案手法

• 解像されたサイドバンド領域で基底状態に近い冷却がなされたナノオプトメカニカル系を用いる。
• サイドバンド非対称性を測定するために、同時に赤線および青線にデチューンされたレーザーを用いる。
• 補助的サイドバンド冷却レーザーを導入し、時間周期的内部場を生成する。
• 時間周期的ハミルトニアンをモデル化するためにFloquet理論を適用し、サイドバンド結合を予測する。
• サイドバンドスペクトルに及ぼす非線形キャビティ応答（熱光効果およびKerr効果）を分析する。
• 実験的サイドバンド非対称性測定値と、Floquetに基づく理論モデルの予測値を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kerr型非線形性は、オプトメカニカル系における観測される運動モードサイドバンド非対称性をどのように変化させるか？
• RQ2 冷却レーザーなどの補助的駆動の存在が、サイドバンドスペクトルにおける人工的非対称性をどの程度引き起こすか？
• RQ3 非線形および時間周期的駆動下で、Floquetに基づく理論モデルは熱力学的機械的サイドバンド間の結合を正確に記述できるか？
• RQ4 これらの非線形効果は、バックアクションを回避する測定および散乱量子スケーリングにどのような影響を与えるか？

主な発見

• 熱光効果や自己位相変調によるKerr型非線形性が、観測される運動モードサイドバンド非対称性に人工的な変更を引き起こす。
• 補助的冷却レーザーが時間周期的内部場を生成し、もともと独立していた熱力学的機械的サイドバンドを結合させ、非対称性を歪める。
• 補助的駆動による非線形結合のおかげで、期待される量子力学的予測とは異なる非対称性が観測される。
• Floquetに基づく理論モデルは、実験的サイドバンド非対称性を定量的に再現しており、非線形オプトメカニカルダイナミクスを記述するのに有効であることが検証された。
• これらの効果は、散乱機械的スケーリングや非可逆的デバイスに依存する量子測定計画にとって顕著な影響を持つ。