[논문 리뷰] Piezo-orbital backaction force in a rare-earth doped crystal

Anne Louchet-Chauvet, P. Verlot외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 14.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 47인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 희토류 이온의 공진 광학 흥 excitiation에 의해 결정 장력의 변화를 통해 기계적 응력이 유도되는 부피형 Tm:YAG 결정에서 보존적인 피에조 궤도 역작용 힘을 나타낸다. 이 작업은 보존적인 효과를 소산성 광열 성분에서 분리하고 정량화하여, 하이브리드 양자 시스템에 적합한 밀리초 스케일의 옵티omechanical 응답을 드러낸다.

ABSTRACT

We investigate a system composed of an ensemble of room temperature rare-earth ions embedded in a bulk crystal, intrinsically coupled to internal strain via their sensitivity to the surrounding crystal field. We evidence the generation of a mechanical response under resonant atomic excitation. We find this motion to be the sum of two fundamental, resonant optomechanical backaction processes: a conservative, piezo-orbital mechanism, resulting from the modification of the crystal field associated with the promotion of the ions to their excited state, and a dissipative, non-radiative photothermal process related to the phonons generated throughout the atomic population relaxation. Our work opens new research avenues in hybrid optomechanics, and highlights new interactions that may be key for understanding the dephasing dynamics of ultra-coherent rare-earth ions.

연구 동기 및 목표

• 희토류 도핑된 결정에서 공진 광학 흥 excitiation에 의해 유도되는 기계적 역작용을 조사하는 것.
• 대부분의 REIC에서 보존적(피에조 궤도)과 소산적(광열) 옵티omechanical 기여를 분리하는 것.
• cm 스케일 결정에서 광학적으로 유도된 기계적 운동의 시간 및 공간 해상도를 갖춘 톰그래피를 실시하는 것.
• 피에조 궤도 효과의 크기와 원자 선 이동 감도와의 관계를 정량화하는 것.
• 희토류 시스템이 해상측변 및 강한 결합 옵티omechanics에 적합할 잠재력을 확립하는 것.

제안 방법

• 표면 변형을 각도 변위로 감지하기 위해 펌프 빔과 연속파 프로브 빔을 사용한 광편향 장치를 사용하였다.
• 실시간 및 실공간에서 기계적 운동을 재구성하기 위해 초민감도의 시간 해상도 톰그래피를 적용하였다.
• 이온 궤도 변화 기반의 피에조 궤도 역작용 모델과 비방사성 붕괴에 기반한 광열 효과 모델을 각각 개발하였다.
• 후크의 법칙과 에너지 도함수 형식을 사용하여 내부 에너지 변화와 기계적 힘 및 변위 사이의 관계를 유도하였다.
• 압력 감도(기본선 Gstress = ∂ω/∂σ)와 재료 특성(용익률, 이온 농도)을 사용하여 피에조 궤도 변위를 계산하였다.
• 실험 데이터와 모델을 검증하였으며, 빔 프로파일의 영향을 고려하여 굴절 각도에 대한 영향도 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희토류 도핑된 결정에 공진 광학 흥 excitiation이 가해질 경우 발생하는 기계적 힘은 무엇인가?
• RQ2 보존적(피에조 궤도) 및 소산적(광열) 역작용 메커니즘이 관측된 운동에 각각 어떻게 기여하는가?
• RQ3 피에조 궤도 역작용의 크기와 공간-시간 프로파일은 무엇인가?
• RQ4 이온 농도와 재료 특성에 따라 옵티omechanical 응답은 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 주로 존재하는 광열 배경에서 피에조 궤도 효과를 분리하고 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 4×10^14개의 이온이 3ms 펄스로 흥 excitated될 경우 피에조 궤도 역작용은 약 10 pm의 표면 변위를 유도하며, 이는 이온 반지름 변화 ξ에 비례한다.
• 보존적인 피에조 궤도 힘은 이온 크기 변화에 의한 격자 응력 때문이 아니라 전자 상태 전이에 의해 유도된 결정장 변화 때문임을 규명하였다.
• 광열 효과가 공간적으로 지배적이며, 비방사성 붕괴 역학에 의해 완전히 기술되며, 확산 유사한 프로파일을 띤다.
• 피에조 궤도 변위는 국소화되어 있으며, 고유 상태 인구 분포의 변화를 직접 따라간다.
• 시스템은 밀리초 스케일의 기계적 응답를 보이며, 해상측변 및 강한 결합 영역에 접근할 수 있다.
• 이론적 모델은 ∆x = NℏGstress / (wpL)로 예측하며, Gstress = ∂ω/∂σ는 Hz/Pa 단위로 표현되며 원자 선 이동과 기계적 변위 사이의 기본적 연관성을 확인한다.