[论文解读] A topological Dirac-vortex parametric phonon laser

Xiang Xi, Jingwen Ma+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用 4

一句话总结

该论文首次通过具有强压缩玻色子相互作用的非线性纳米机电谐振腔，实验实现了拓扑狄拉克-涡旋参数 phonon 激光器。通过参数驱动狄拉克-涡旋谐振腔，作者实现了对拓扑声子的相位敏感放大，在阈值以上表现出对制造缺陷具有免疫能力的稳健声子激光，且自由光谱范围非通用缩放，从而实现了大面积单模操作。

ABSTRACT

Nonlinear topological photonic and phononic systems have recently aroused intense interests in exploring new phenomena that have no counterparts in electronic systems. The squeezed bosonic interaction in these systems is particularly interesting, because it can modify the vacuum fluctuations of topological states, drive them into instabilities, and lead to topological parametric lasers. However, these phenomena remain experimentally elusive because of limited nonlinearities in most existing topological bosonic systems. Here, we experimentally realized topological parametric lasers based on nonlinear nanoelectromechanical Dirac-vortex cavities with strong squeezed interaction. Specifically, we parametrically drove the Dirac-vortex cavities to provide phase-sensitive amplification for topological phonons, and observed phonon lasing above the threshold. Additionally, we confirmed that the lasing frequency is robust against fabrication disorders and that the free spectral range defies the universal inverse scaling law with increased cavity size, which benefit the realization of large-area single-mode lasers. Our results represent an important advance in experimental investigations of topological physics with large bosonic nonlinearities and parametric gain.

研究动机与目标

• 为克服拓扑玻色子系统中弱非线性性导致参数激光操作受阻的挑战。
• 利用设计的纳米机械狄拉克-涡旋谐振腔，实现具有强参数增益的拓扑声子激光器。
• 展示对制造缺陷的鲁棒性以及自由光谱范围缩放的非常规行为。
• 探索声子系统中拓扑保护与非线性参数放大的相互作用。

提出的方法

• 设计并制造具有强压缩相互作用的非线性纳米机电狄拉克-涡旋谐振腔。
• 通过外部调制参数驱动谐振腔，诱导对拓扑声子的相位敏感放大。
• 采用参数增益机制，激发并维持阈值以上的声子激光。
• 通过频率、阈值功率和光谱响应测量表征激光行为。
• 通过引入受控的制造缺陷测试鲁棒性，并测量激光稳定性。
• 分析谐振腔尺寸与自由光谱范围的缩放关系，识别与反比缩放定律的偏离。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有强非线性和参数增益的系统中，能否实现拓扑声子激光？
• RQ2 拓扑保护如何影响声子激光对制造缺陷的鲁棒性？
• RQ3 狄拉克-涡旋谐振腔的自由光谱范围是否遵循与尺寸成反比的常规缩放规律，还是拓扑结构改变了这一行为？
• RQ4 压缩玻色子相互作用在驱动不稳定性及实现拓扑声子态激光中起什么作用？
• RQ5 能否在拓扑纳米机械平台上实现单模、大面积声子激光？

主要发现

• 在明确的阈值以上实验观测到声子激光，证实了参数声子激光器的运行。
• 激光频率对制造引起的缺陷保持鲁棒，证明了拓扑保护。
• 自由光谱范围未与谐振腔尺寸成反比缩放，表明由于拓扑结构导致偏离通用缩放定律。
• 由于强压缩相互作用，系统表现出相位敏感放大，从而实现参数增益。
• 狄拉克-涡旋谐振腔设计实现了适合大面积集成的单模操作。
• 结果验证了在具有大玻色子非线性的系统中实现拓扑参数激光器的可行性。