[논문 리뷰] Optomechanics with a Kerr-type nonlinear coupling

Mathias Mikkelsen, Thomás Fogarty외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 11.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 케이버티 옵티omechanics에서 케르 유형의 비선형 결합을 조사하며, 자기-케르 상호작용이 광자 수의 제곱에 비례하는 효과적 결합을 유도한다. 이는 낮은 조도 조건에서도 상당한 양자 효과를 유도하고, 다중 안정성(dual-stability)을 가능하게 하여 운동 냉각을 위한 레이저 강도를 감소시킨다.

ABSTRACT

Cavity optomechanics has proven to be a field of research rich with possibilities for studying motional cooling, squeezing, quantum entanglement and metrology in solid state systems. While to date most studies have focused on the modulation of the cavity frequency by the moving element, the emergence of new materials will soon allow to explore the influences of nonlinear optical effects. We therefore study in this work the effects due to a nonlinear position-modulated self-Kerr interaction and find that this leads to an effective coupling that scales with the square of the photon number, meaning that significant effects appear even for very small nonlinearities. This strong effective coupling can lead to lower powers required for motional cooling and the appearance of multi-stability in certain regimes.

연구 동기 및 목표

• 비선형 위치 조절형 자기-케르 상호작용이 케이버티 옵티omechanical 시스템에 미치는 영향을 탐구하기.
• 작은 내재된 비선형성에도 불구하고 비선형 광학 효과가 효과적 결합 강도를 어떻게 향상시킬 수 있는지 이해하기.
• 비선형 결합이 운동 냉각을 위한 레이저의 전력 요구량을 줄이는지 조사하기.
• 비선형 결합 하에서 시스템에 다중 안정성(multi-stability)이 어떻게 나타나는지 분석하기.

제안 방법

• 해밀토니안에 비선형 위치 의존 자기-케르 상호작용 항을 포함하여 옵티omechanical 시스템을 모델링하기.
• 케르 비선형성에 기인하여 광자 수의 제곱에 비례하는 효과적 결합 강도를 유도하기.
• 냉각과 안정성에 대한 연구를 위해 선형화된 옵티omechanical 방정식을 사용하여 시스템의 동역학 분석하기.
• 다중 안정성을 식별하기 위해 위상공간과 에너지 경로 분석하기.
• 변동하는 광자 수와 비선형성 하에서 시스템의 반응을 평가하기 위해 섭동 이론과 평균장 근사를 사용하기.
• 비선형 케이스를 표준 선형 옵티omechanical 결합과 비교하여 성능 우수성을 부각하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 케르 유형의 비선형 결합은 케이버티 시스템에서 효과적 옵티omechanical 결합 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 광자 수의 제곱에 비례하는 스케일링이 운동 냉각을 위한 레이저 강도 요구량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비선형 결합이 시스템에서 다중 안정성 행동을 유도하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 비선형 효과는 약한 내재된 비선형성 조건에서도 상당한 양자 효과를 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 자기-케르 상호작용으로 인해 효과적 결합 강도가 광자 수의 제곱에 비례하여 증가하므로, 낮은 광자 수에서도 강한 결합이 가능하다.
• 운동 냉각과 같은 상당한 양자 효과가 선형 옵티omechanical 시스템에 비해 훨씬 낮은 레이저 전력으로도 달성될 수 있다.
• 일부 매개변수 영역에서 비선형 잠재 에너지 경로 구조에 기인하여 시스템이 다중 안정성을 나타낸다.
• 비선형 결합은 광자 수에 대한 민감도를 향상시켜 양자 상태 공학에서 새로운 제어 메커니즘을 가능하게 한다.
• 낮은 광자 수에서의 제곱 비례 의존성 덕분에 약한 내재된 비선형성에도 불구하고 상당한 효과적 결합이 유도된다.
• 결과적으로 고출력 레이저가 필요 없이 고체계에서 강한 결합과 양자 효과를 실현할 수 있는 길이 제시된다.