[論文レビュー] Ultrahigh-Q mechanical oscillators through optical trapping

H. J. Kimble, Ni, K. -K.+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2010

Mechanical and Optical Resonators参考文献 3被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、定常光波の腹部分に支持された誘電膜を光学的トラップによって固定し、内部散逸を抑えて超高Qの機械的振動子を実現する手法を提案している。これにより、室温下で2000回にのぼるコherentな振動が達成され、従来のシステムの限界を超える。

ABSTRACT

Rapid advances are being made toward optically cooling a single mode of a micro-mechanical system to its quantum ground state and observing quantum behavior at macroscopic scales. Reaching this regime in room-temperature environments requires a stringent condition on the mechanical quality factor $Q_m$ and frequency $f_m$, $Q_{m}f_{m}{\gtrsim}k_{B}T_{bath}/h$, which so far has been marginally satisfied only in a small number of systems. Here we propose and analyze a new class of systems that should enable unprecedented $Q_{m}f_m$ values. The technique is based upon using optical forces to "trap" and stiffen the motion of a tethered mechanical structure, thereby freeing the resultant mechanical frequencies and decoherence rates from underlying material properties.

研究の動機と目的

• 室温下の光機械系における機械的品質因数（Q）と周波数（f）の積の根本的限界を克服すること。
• 光学的力による剛性化を通じて、マイクロ機械的振動子における内部散逸（例：熱弾性損失や材料損失）を抑制すること。
• 機械的応答を内在する材料特性から分離することで、巨視的機械モードの長時間量子コherencyを実現すること。
• 既存技術で作製可能な平面膜を用いた実用的でスケーラブルなプラットフォームを提供し、浮上ナノ粒子の反動加熱問題を回避すること。

提案手法

• 定常光波を用いて、腹部分に勾配力トラップを形成し、誘電膜を光学的に閉じ込めて剛性化する。
• 光学的復元力と弾性応力項を含む修正された波動方程式を用いて、薄い円形膜の機械的応答をモデル化する。
• 回転対称性と境界条件を用いて、曲げモードおよび重心（CM）モードにおける固有モード問題を解く。
• 内部散逸の抑制を評価するため、光学的ポテンシャルエネルギーと機械的ひずみエネルギーの比を用いてQ要因の向上を評価する。
• 2つの主要なデコherence要因である熱弾性減衰（材料内のエネルギー損失により計算）と光子反動加熱（散乱による運動量拡散としてモデル化）を分析する。
• アポダイゼーションされた膜を用いてモード歪みを最小限に抑え、光学的結合を最大化するとともに、キャビティのファインネスとモード体積を用いて光学場の増幅をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学的トラップは、材料の限界を超えて機械的振動子のQ要因を顕著に向上させ得るか？
• RQ2 光学的剛性化は、機械的系における内部散逸（例：熱弾性減衰）をどの程度抑制できるか？
• RQ3 光子反動加熱は、トラップされた膜のコherency時間にどのように影響を及ぼし、ナノ粒子と比較して平面幾何形状では最小化可能か？
• RQ4 平面膜を用いた光機械系が室温環境下で達成可能な最大コherentな振動回数は何か？
• RQ5 アポダイゼーション膜設計は、キャビティのファインネスを向上させ、モード歪みを低減させつつ、高い光学的力結合を維持できるか？

主な発見

• 半径約9 µmのアポダイゼーション膜は、室温環境下で約2000回のコherentな振動に相当する総合コherency時間を達成する。
• 熱弾性減衰がコherencyを約1000回の振動に制限するが、反動加熱が追加で約1000回の振動を寄与し、両者の崩壊チャネルの並列和として総合的な時間となる。
• 重心（CM）モードは、光学的ポテンシャルエネルギーと機械的ひずみエネルギーの比（U_opt / U_mech）が極めて高く、内部散逸の抑制とQ要因の向上を可能にする。
• 平面膜の幾何形状により、反対方向のビーム成分への結合が制限され、浮上ナノ粒子と比較して反動加熱が低減され、より大きなサイズでも高い系Qが実現可能となる。
• 数値シミュレーションにより、非一様な光学的力が重心をピン留めするため、トラップ周波数が上昇するにつれて光機械結合定数gが減少することが確認された。
• アポダイゼーション膜は、均一膜と比較して膜制限ファインネス（F_mem）を最大で約10%向上させ、キャビティの品質と光学的場の閉じ込めを改善する。