[論文レビュー] Optical read out and feedback cooling of a nanostring optomechanical cavity

Alex Krause, T. D. Blasius+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、室温下でシリコンナ nitride ナノストリング光力学的キャビティの光学的読み出しとフィードバック冷却を実証し、初期状態の 6.5×10⁶ から phonon 占有数 ⟨n⟩ = 66 ± 10 (Tₘ ≈ 3 mK) まで低下させた。この系は、強度変調されたレーザー・フィードバックを用い、ゼロ点揺らぎの 37 dB 未満の測定不確かさを実現した。これは、高いコープリティビティ (C₁ = 4) と量子効率 (ηₜ = 0.27) に起因する。

ABSTRACT

Optical measurement of the motion of a 940 kHz mechanical resonance of a silicon nitride nanostring resonator is demonstrated with a read out noise imprecision reaching 37 dB below that of the resonator's zero-point fluctuations. Via intensity modulation of the optical probe laser, radiation pressure feedback is used to cool and damp the mechanical mode from an initial room temperature occupancy of $\bar{n}_{b} = 6.5 imes 10^6$ ($T_{b}=295$K) down to a phonon occupation of $\langle n angle = 66 \pm 10$, representing a mode temperature of $T_{m} \approx 3$mK. The five decades of cooling is enabled by the system's large single-photon cooperativity $(C_{1} = 4)$ and high quantum efficiency of optical motion detection ($η_{t} = 0.27$).

研究の動機と目的

• 室温環境下でフィードバック冷却を用いてミクロスコピックな機械的共振子の基底状態冷却を達成すること。
• ゼロ点揺らぎの限界を下回る高精度な光学的変位測定を実証すること。
• 強化されたダイナミックレンジと力感度を備えた、チップスケールで高帯域のセンシングを可能にすること。
• 冷却を伴わない常温下での量子制御プロトコルの実現可能性を検討すること。

提案手法

• 光力学的結合を強化するために、940 kHz のシリコンナ nitride ナノストリング共振子を統合したフォトニクス・クリスタル・ナノキャビティを用いた。
• 放射圧フィードバックを実装するため、プローブレーザーの強度変調を用いてアクティブ冷却を実現した。
• 高い単一光子コープリティビティ (C₁ = 4) と検出効率 (ηₜ = 0.27) により、ゼロ点揺らぎのノイズフロアの 37 dB 未満の測定不確かさを達成した。
• 機械的モードの熱的占有数を測定し、フィードバックを適用して 6.5×10⁶ から ⟨n⟩ = 66 ± 10 へと低下させた。
• 1秒間の積分時間における力感度 (125 aN/Hz¹/²)、帯域幅 (190 kHz)、ダイナミックレンジ (>60 dB) を評価した。
• FEM シミュレーションを用いて、デバイス設計および検証のための光学モード分布と機械的共鳴形状をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強度変調による光学的フィードバック冷却は、冷却を伴わない室温下のナノストリング共振子を、ゼロ点状態に近い占有数まで冷却可能か？
• RQ2 高いコープリティビティと検出効率を有する室温下の光力学的系において、どの程度の測定不確かさが達成可能か？
• RQ3 高い光力学的結合と高い量子効率の組み合わせが、熱雑音とバックアクションを克服して冷却を可能にする仕組みは何か？
• RQ4 特にバックアクションノイズと測定帯域幅の観点から、このような系におけるフィードバック冷却の根本的限界は何か？
• RQ5 常温下のチップスケール光力学的デバイスは、量子測定および制御プロトコルを支援可能か？

主な発見

• 光学的読み出しにより、機械的共振子のゼロ点揺らぎのノイズフロアの 37 dB 未満の測定不確かさが達成された。
• フィードバック冷却により、機械的モードの phonon 占有数は、室温 (Tₘ = 295 K) 時の 6.5×10⁶ から ⟨n⟩ = 66 ± 10 へ低下し、効果的温度 Tₘ ≈ 3 mK に相当した。
• 熱雑音制限の力感度 125 aN/Hz¹/² を、共鳴周囲で 190 kHz の帯域幅で達成した。
• 1秒間の積分時間において、ダイナミックレンジが 60 dB 以上向上したが、減衰しない熱雑音フロアを維持した。
• 現在の条件下で、不確かさ-バックアクション積はヘイゼンベルクの限界のおよそ 450 倍と推定され、さらなる改善の余地があることが示された。
• デバイスの改良（例：Q 値や g₀ の向上）により、基底状態冷却に必要なキャビティ光子数は n_c ≈ 60 まで低下可能となり、冷却なしで実現可能であることが示された。