[论文解读] Cavity-mediated long-range interactions in levitated optomechanics

Jayadev Vijayan, Johannes Piotrowski+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

该论文首次在真空中实现了通过光学腔介导的、可编程的两个悬浮纳米颗粒之间的长程相互作用，利用光学腔实现强且可调的耦合（Gzz/Ωz = 0.238 ± 0.005），该耦合与颗粒间距离无关，仅依赖于腔模体积。通过声光偏转器调控光镊的频率、位置和机械模式，实现了可调谐、非互易的耦合，并在光谱测量中观测到避数能级交叉。

ABSTRACT

The ability to engineer cavity-mediated interactions has emerged as a powerful tool for the generation of non-local correlations and the investigation of non-equilibrium phenomena in many-body systems. Levitated optomechanical systems have recently entered the multi-particle regime, with promise for using arrays of massive strongly coupled oscillators for exploring complex interacting systems and sensing. Here, by combining advances in multi-particle optical levitation and cavity-based quantum control, we demonstrate, for the first time, programmable cavity-mediated interactions between nanoparticles in vacuum. The interaction is mediated by photons scattered by spatially separated particles in a cavity, resulting in strong coupling ($G_ ext{zz}/Ω_ ext{z} = 0.238\pm0.005$) that does not decay with distance within the cavity mode volume. We investigate the scaling of the interaction strength with cavity detuning and inter-particle separation, and demonstrate the tunability of interactions between different mechanical modes. Our work paves the way towards exploring many-body effects in nanoparticle arrays with programmable cavity-mediated interactions, generating entanglement of motion, and using interacting particle arrays for optomechanical sensing.

研究动机与目标

• 在真空中实现空间分离的纳米颗粒之间的长程、腔介导相互作用。
• 克服自由空间光学和偶极子相互作用的局限性，后者随距离衰减且不足以实现纠缠。
• 通过控制粒子位置、机械模式和腔失谐，实现对相互作用的可编程调控。
• 推动在宏观光学机械阵列中探索多体量子效应和纠缠。
• 为可编程、相互作用的粒子阵列在光学机械传感中的应用奠定基础。

提出的方法

• 利用声光偏转器（AODs）生成可编程的光镊阵列，用于在真空中捕获纳米颗粒。
• 使用波长为1550 nm、数值孔径NA = 0.75的光学镊子捕获直径150 nm的SiO2悬浮纳米颗粒。
• 采用高精细度光学腔（κ/2π = 600 kHz，Lc = 9.6 mm）介导相互作用，通过激光频率控制腔失谐Δ。
• 通过平衡外差检测散射光测量腔介导的耦合，机械边带在傅里叶谱中被检测到。
• 理论建模采用简化的主方程，通过绝热消去腔场，得到描述有效耦合Gαα′的动态矩阵（见公式8）。
• 通过公式11从光谱图中提取模式分裂，拟合耦合系统的本征值以提取G1µ,2µ和G2µ,1µ，从而获得有效相互作用强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在真空中对空间分离的纳米颗粒实现腔介导的长程相互作用？
• RQ2 腔介导相互作用的强度如何随腔失谐和颗粒间距变化？
• RQ3 是否可以调控相互作用，以选择性地耦合纳米颗粒的特定机械模式（x, y, z）？
• RQ4 该相互作用是否具有非互易性，其对耦合系统动力学有何影响？
• RQ5 可测量的最小耦合强度是多少？与竞争性相互作用（如库仑力、光学束缚力）相比如何？

主要发现

• 实验展示了强耦合、不衰减的腔介导耦合，Gzz/Ωz = 0.238 ± 0.005，表明系统处于强耦合 regime。
• 相互作用强度与颗粒间距（d ≈ 6 µm）无关，证实了在腔模体积内的长程特性。
• 通过腔失谐Δ和光镊功率可调谐相互作用，实现对不同机械模式间耦合的控制。
• 测得的模式分裂最高达3.5 kHz，最小可分辨耦合约为0.15 kHz，与理论估算一致。
• 直接光学束缚力和库仑力分别估计为~0.14 kHz和~0.17 kHz，均低于可测量阈值，证实了腔介导耦合的主导地位。
• 系统实现了非互易耦合，与理论模型预测一致，即Gαα′ ≠ Gα′α，从而支持复杂网络拓扑结构的实现。