[논문 리뷰] Nano-optomechanical measurement in the photon counting regime

Laure Mercier de Lépinay, Benjamin Pigeau외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 11.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 진동하는 나노와이어에 부착된 질소빈자리(NV) 중심에서 유도된 광자 통계를 활용하여 초저조도 나노광기계 센싱을 구현한다. 단일 광자 방출의 시공간 상관관계를 측정함으로써, 진동 주기당 한 개 이하의 광자 강도에서도 나노기계 진동을 정량적으로 감지할 수 있었으며, 이는 전통적인 검출기가 어둠이 없는 잡음으로 인해 제한되는 광자 수세기 영역에서의 운동 감지 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

Optically measuring in the photon counting regime is a recurrent challenge in modern physics and a guarantee to develop weakly invasive probes. Here we investigate this idea on a hybrid nano-optomechanical system composed of a nanowire hybridized to a single Nitrogen-Vacancy (NV) defect. The vibrations of the nanoresonator grant a spatial degree of freedom to the quantum emitter and the photon emission event can now vary in space and time. We investigate how the nanomotion is encoded on the detected photon statistics and explore their spatio-temporal correlation properties. This allows a quantitative measurement of the vibrations of the nanomechanical oscillator at unprecedentedly low light intensities in the photon counting regime when less than one photon is detected per oscillation period, where standard detectors are dark-noise-limited. These results have implications for probing weakly interacting nanoresonators, for low temperature experiments and for investigating single moving markers.

연구 동기 및 목표

• 초저조도 조건에서 광자 수세기 영역의 한계 이하인 조건에서도 나노기계 진동자에서의 운동 감지를 가능하게 하기 위해.
• 한 개의 NV 중심이 나노와이어 끝에 부착되어 있을 때, 나노와이어의 나노운동이 방출되는 광자의 시공간 통계에 어떻게 표현되는지 조사하기 위해.
• 강한 결합이 아닌 약한 결합된 나노기계 시스템에 대해 광자 통계를 이용한 비파괴적이고 양자 한계에 도달하는 독출 전략을 개발하기 위해.
• 광자 자기상관함수와 기계 진동자 위치 변동 간의 이론적 프레임워크를 분석적 및 수치적 모델링을 통해 검증하기 위해.
• 냉각 및 생물학적 응용에 관련된 초프레터와트 웨이트 수준(예: 약 100 aW)에서 나노공진기의 열잡음 탐지 가능성의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 46 µm 길이의 SiC 나노와이어의 자유단에 단일 NV 중심을 부착한 하이브리드 나노광기계 시스템을 사용하여, 나노기계 진동자로 기능하도록 하였다.
• 고수치율의 목표를 사용하여 펌프 레이저를 집중시켜, NV 중심의 방출이 나노와이어의 운동에 의해 시공간적으로 조절되는 강력한 국소화된 자극 부피를 생성하였다.
• 이중 단일 광자 카운터를 사용하여, 다양한 공간적 검출기 위치에서 강도 자기상관함수 $ g^{(2)}( au) $ 를 측정하였다.
• 두 개의 공간적으로 분리된 검출기에서 수집된 광자 유량 간의 시간적 교차상관관계를 분석하여, 방출자의 시공간 궤적을 재구성하였다.
• 진동자의 위치 자기상관함수 $ C_ heta( au) $ 를 기반으로 한 광자 자기상관함수의 거듭제곱 전개를 4차까지 수행하여, 운동에 기인한 광자 뭉치 현상을 모델링하였다.
• 적합된 계수 $ eta_j $ 와 유도된 $ A_j $ 계수를 비교함으로써, 직접적인 수치 시뮬레이션을 통해 분석 모델의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노기계 진동자가 방출하는 광자의 시공간 통계는, 그에 부착된 단일 양자 발광체의 운동에 의해 어떻게 변형되는가?
• RQ2 기본 강도 검출기가 어둠이 없는 잡음으로 인해 제한되는 광자 수세기 영역(주기당 한 광자 이하)에서, 광자 통계를 이용하여 나노기계 진동을 정량적으로 측정할 수 있는가?
• RQ3 측정 부피의 유한성과 검출기 간의 공간적 간격이 운동 유도 광자 뭉치 신호를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 측정된 광자 교차상관관계로부터, 진동자의 위치 변동 자기상관함수를 어느 정도 재구성할 수 있는가?
• RQ5 $ g^{(2)}( au) $ 를 $ C_ heta( au) $ 에 대해 전개할 때 고차항이, 특히 저신호 수준에서 진동 운동 탐지에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 저조도 조건에서 약 100 aW의 광원 강도에서 나노기계 진동을 정량적으로 측정하는 데 성공하였으며, 이는 진동 주기당 한 개 이하의 감지 광자 수에 해당한다.
• 측정 부피의 유한성으로 인해 광자 뭉치 현상이 관측되었으며, 이 뭉치 정도는 진동자의 위치 자기상관함수 $ C_ heta( au) $ 와 직접적으로 연관되어 있었다.
• 두 개의 공간적으로 분리된 검출기에서 수집된 광자 유량 간의 시간적 교차상관관계 분석을 통해 움직이는 NV 중심의 궤적을 파악할 수 있었으며, 이는 진동자의 시공간적 운동 재구성에 기여하였다.
• 자기상관함수 $ C_ heta( au) $ 를 기반으로 한 $ g^{(2)}( au) $ 의 거듭제곱 전개 이론 모델링이 수치 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보였으며, 강한 구동 조건에서도 이론적 접근의 타당성을 입증하였다.
• 검출기가 중심에서 대칭적으로 배치된 경우, 고차항 계수 $ A_{2j+1} $ 가 사라짐을 확인하여, $ g^{(2)} $ 의 운동 의존적 부분이 $ C_ heta( au) $ 에 대해 짝함수임을 확인하였으며, 이는 상관 신호의 대비 반전을 유도한다.
• 이 방법은 4 K에서 나노공진기의 열잡음을 탐지할 수 있게 하였으며, 이로 인해 이격 잡음 한계는 약 12 nm로, 300 K에서의 약 102 nm보다 훨씬 낮아, 냉각 실험에의 적용 가능성을 입증하였다.