[論文レビュー] Thermomechanical two-mode squeezing in an ultrahigh $Q$ membrane resonator

Yogesh Sharad Patil, Srivatsan Chakram+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2014

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、超高Qファイバー膜共振器における基板を介した非線形結合によって、非縮退パラメトリック増幅と二モード熱機械的ノイズ圧縮を実証した。基板をモード周波数の和に近い周波数で駆動することにより、強い調整可能な非線形性を実現し、20 dBを超える量子制限ノイズ圧縮を達成した。独立して測定されたパラメータに基づくモデルは、実験データと良好に一致した。

ABSTRACT

We realize a nondegenerate parametric amplifier in an ultrahigh $Q$ mechanical membrane resonator and demonstrate two-mode thermomechanical noise squeezing. Our measurements are accurately described by a two-mode model that attributes this nonlinear mechanical interaction to a substrate-mediated process which is dramatically enhanced by the quality factors of the individual modes. This realization of strong multimode nonlinearities in a mechanical platform compatible with quantum-limited optical detection and cooling makes this a powerful system for nonlinear approaches to quantum metrology, transduction between optical and phononic fields and the quantum manipulation of phononic degrees of freedom.

研究の動機と目的

• 量子メトロロジーおよびフォノニクス状態工学に適した機械的共振器プラットフォームにおいて、強力で調整可能かつ量子に適合可能な非線形相互作用を実現すること。
• 量子制御に必要な厳しい熱的およびコherー二ティ要件を維持しながら、高強度のマルチモード非線形性を達成する挑戦に立ち向かうこと。
• 大規模な f×Q とオプトメカニカル冷却および量子制限検出と互換性を持つシステムにおいて、非縮退パラメトリック増幅と二モード熱機械的ノイズ圧縮を実証すること。
• 異なる機械的モード間の非線形結合の主因として、基板を介したメカニズムを確立し、高品質因子モードによる相互作用強度の向上を図ること。

提案手法

• Q > 10×10⁶ および f×Q > 1×10¹⁴ Hz の高応力シリコンナ nitride メンブレン共振器を用い、長大なコherー二ティ時間と高い感度を実現した。
• 2つの機械的モード周波数の和 (ωi + ωj) に近い周波数でシリコン基板をピエゾ効果または光熱効果で駆動し、パラメトリック過程を駆動した。
• ミケルソン干渉計に位相感受性ロックイン検出を組み合わせ、個々の機械的モードを解像・モニタリングした。また、第3の高Qモードを用いて周波数の能動的安定化を実施した。
• パラメトリック増幅の二モードモデルを用いて非線形相互作用を記述し、基板モードの高Qファクターによって結合強度が強化されることを示した。
• 信号モードとイジールモードの位相依存利得を測定し、非縮退パラメトリック増幅を確認した。これにより、20 dBを超えるデアンプリフィケーションが達成された。
• 二モード圧縮を評価するため、膜の2つのモードの変位からクロスクワドラチャを構築し、ポンプ励起下での位相空間分布を解析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高Qファクターを有する機械的共振器プラットフォームにおいて、強力で調整可能かつ量子に適合可能なマルチモード非線形性を実現できるか？
• RQ2 基板を介した結合は、異なる機械的モード間のパラメトリック相互作用の強度をどの程度向上させるか？
• RQ3 大規模な f×Q と低損失を有する機械的系において、熱機械的二モード圧縮を実験的に実証できるか？
• RQ4 ポンプ、信号、イジール場の位相関係は、非縮退パラメトリック増幅器におけるノイズ圧縮度にどのように影響するか？
• RQ5 熱平均化の影響を受ける中で、最大でどの程度の機械的圧縮が達成可能か？また、弱い測定とフィードバックによりこれを向上できるか？

主な発見

• 非縮退パラメトリック増幅が達成され、20 dBを超えるパラメトリックデアンプリフィケーションを実現した。これは、2つの機械的モード間の強い非線形結合を示した。
• 信号モードの位相依存利得は理論モデルと良好に一致し、フィットから抽出されたポンプ振幅は、独立して測定された値と5%以内で一致した。
• 熱機械的二モードノイズ圧縮が観測され、ポンプ場によって誘導される相関により、位相空間分布が顕著に楕円形に変化した。
• 圧縮に関する実験データは、Qファクター、線幅、駆動振幅を含む独立して測定されたシステムパラメータに基づく自由パrameterなしのモデルと非常に良好に一致した。
• モデルは、最大定常状態圧縮が、場の位相にわたる熱平均化によって制限されることを予測しているが、弱い測定とフィードバックを用いることで、40 dBを超える機械的圧縮が達成可能であると示唆している。
• 光熱フィードバックを用いた能動的制御により、1000秒間で1 ppb未満の周波数安定性を達成し、熱機械的ノイズおよび圧縮の高精度な長期測定を可能にした。