[论文解读] Optomechanically-induced chiral transport of phonons in one dimension

Xunnong Xu, Jacob M. Taylor|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2017

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

本文提出，一维光机械环形谐振器中的激光泵浦通过方向性光机械耦合打破互易性，诱导手性声子输运。通过在无序体系中使用图解微扰理论，表明由于相位匹配不对称性，反向传播模式的声子扩散被抑制，从而导致方向依赖的扩散和线宽展宽减小——这在集成平台中实现非互易机械系统至关重要。

ABSTRACT

Non-reciprocal devices, with one-way transport properties, form a key component for isolating and controlling light in photonic systems. Optomechanical systems have emerged as a potential platform for optical non-reciprocity, due to ability of a pump laser to break time and parity symmetry in the system. Here we consider how the non-reciprocal behavior of light can also impact the transport of sound in optomechanical devices. We focus on the case of a quasi one dimensional optical ring resonator with many mechanical modes coupled to light via the acousto-optic effect. The addition of disorder leads to finite diffusion for phonon transport in the material, largely due to elastic backscattering between clockwise and counter-clockwise phonons. We show that a laser pump field, along with the assumption of high quality-factor, sideband-resolved optical resonances, suppresses the effects of disorder and leads to the emergence of chiral diffusion, with direction-dependent diffusion emerging in a bandwidth similar to the phase-matching bandwidth for Brillouin scattering. A simple diagrammatic theory connects the observation of reduced mechanical linewidths directly to the associated phonon diffusion properties, and helps explain recent experimental results.

研究动机与目标

• 理解单向泵浦激光与一维无序系统中光机械耦合如何诱导非互易声子输运。
• 解释在回音壁微谐振器中，顺时针与逆时针声子模式实验观测到的线宽相反变化机制。
• 建立一个理论框架，将可测量的光学量（如Q因子）与无序和光机械耦合存在下的声子扩散联系起来。
• 通过引入边带分辨光机械区域中的多模声子动力学和连续无序散射，扩展先前的最小模型。
• 建立图解微扰理论，将光学诱导的手性扩散与实验可测的声子线宽联系起来。

提出的方法

• 构建一个包含反向传播光模和通过声光效应耦合的连续声子模的多模光机械哈密顿量。
• 应用海森堡-朗之万形式化，推导在泵浦激光和无序影响下的声子线性响应函数。
• 在无序势中使用图解微扰理论，计算声子自能和扩散常数，重点关注反向散射过程。
• 推导有效扩散常数D的解析表达式，显示其对泵浦功率和相位匹配带宽的依赖性。
• 将解析预测与使用随机散射势和不同泵浦功率的线性响应函数的数值模拟进行比较。
• 将扩散常数归一化至无激光情况下的D₀，并基于相位匹配态的数量推导扩散抑制的饱和极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 单向激光泵浦如何在无序光机械系统中诱导方向依赖的声子扩散？
• RQ2 光机械耦合通过何种机制抑制声子输运中的反向散射，即使在存在无序的情况下？
• RQ3 随着泵浦功率增加，反向传播声子模式的线宽如何变化，其不对称性的来源是什么？
• RQ4 实验观测到的某一方向声子线宽Q因子减小的现象，在多大程度上可由无序和光机械耦合的微扰理论解释？
• RQ5 相位匹配带宽和态密度在限制扩散抑制程度方面起什么作用？

主要发现

• 在高泵浦功率下，反向传播（CCW）声子的有效扩散常数D可减少至1 − 1/(2πργ)，其饱和源于有限的相位匹配带宽。
• 与光模耦合的声子（CW）线宽因光机械冷却而增大，而相反方向（CCW）模式的线宽则因反向散射被抑制而减小。
• 图解微扰理论成功解释了在相同泵浦下，顺时针与逆时针声子模式线宽相反变化的实验观测。
• 线性响应函数的数值模拟与解析公式D/D₀ ≈ 1 − 1/(2πργ)高度一致，拟合参数与理论预测相符。
• 扩散抑制源于涉及光学调制前向声子的反向散射项贡献减少，类似于经典Zeno效应。
• 扩散最大抑制程度受相位匹配带宽内声子模数量限制，由ργ量化，其中ρ为态密度，γ为模匹配带宽。