[论文解读] Cavity nano-optomechanics in the ultrastrong coupling regime with ultrasensitive force sensors

F Fogliano, Benjamin Besga+7 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Apr 1, 2019

Mechanical and Optical Resonators被引用 5

一句话总结

该论文通过在基于光纤的微腔中插入一个悬空的碳化硅纳米线，实现了超强腔光机械耦合，单光子耦合强度超过机械频率的100倍。利用基于纳米线的扫描探针技术，作者测绘了参数耦合及完整的矢量光机械力场，实现了对单光子腔光机械效应的直接探测，为在极低光子通量下实现量子非破坏性测量提供了可能。

ABSTRACT

In a canonical optomechanical system, mechanical vibrations are dynamically encoded on an optical probe field which reciprocally exerts a backaction force. Due to the weak single photon coupling strength achieved with macroscopic oscillators, most of existing experiments were conducted with large photon numbers to achieve sizeable effects, thereby causing a dilution of the original optomechanical non-linearity. Here, we investigate the optomechanical interaction of an ultrasensitive suspended nanowire inserted in a fiber-based microcavity mode. This implementation allows to enter far into the hitherto unexplored ultrastrong optomechanical coupling regime, where one single intracavity photon can displace the oscillator by more than its zero point fluctuations. To fully characterize our system, we implement nanowire-based scanning probe measurements to map the vectorial optomechanical coupling strength, but also to reveal the intracavity optomechanical force field experienced by the nanowire. This work establishes that the single photon cavity optomechanics regime is within experimental reach.

研究动机与目标

• 为了在腔光机械系统中实现超强耦合 regime，使得单个光子引起的机械振子位移超过其零点涨落。
• 开发一种基于纳米线的双表征方法，用于测绘参数耦合和腔内光机械力场。
• 实现对单光子光机械非线性的实验探索，这些非线性在宏观系统中因耦合过弱而此前无法触及。
• 为单光子水平的量子测量（包括QND测量和工程化非线性）铺平道路。
• 证明在低温冷却的纳米线下实现单光子 regime 的可行性，接近可观测到单光子反冲效应。

提出的方法

• 将直径亚波长的悬空碳化硅纳米线置于高精细度光纤微腔的反腹点位置，以最大化光机械耦合。
• 通过压电元件移动纳米线穿越腔模体积，实现对腔频率漂移和线宽的空间测绘。
• 从腔锁定校正信号图的梯度中推导出参数耦合强度，揭示了横向方向上的矢量耦合。
• 采用泵浦-探测技术直接测量腔内光学力场，使用80–85 Hz的实时锁相检测。
• 对10个相邻像素进行信号平均，实现沿z轴25 nm的空间分辨率，每个测量点积分时间为100 ms。
• 系统实现的单光子耦合强度高达 $ g_0^z/2\pi = 2.6\,\text{MHz} $，超过 $ 100 \times \Omega_m/2\pi $，参数耦合度 $ \mathcal{C}^{(1)} \approx 10 $。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在光纤微腔中利用纳米线实现超强光机械耦合，从而实现单光子效应？
• RQ2 如何在二维空间中实验测绘光机械耦合的矢量特性？
• RQ3 腔内光机械力场的空间结构是怎样的，其与腔模场分布有何关系？
• RQ4 系统能否在单个腔内光子水平下支持静态光机械非线性？
• RQ5 在宏观光机械系统中，观测单光子反冲和量子非破坏性测量的前景如何？

主要发现

• 系统实现的单光子耦合强度 $ g_0^z/2\pi = 2.6\,\text{MHz} $，对应 $ g_0/\Omega_m > 100 $，处于深度超强耦合 regime。
• 参数耦合强度 $ G_z $ 在二维空间中被测绘，揭示了在腔反腹点附近同时存在强耦合与强光学反作用的区域。
• 以25 nm的空间分辨率实验测绘了腔内光学力场，显示出在节点附近为反捕获结构、在反腹点附近为捕获结构。
• 当纳米线被移出模场体积时，测得的力场消失，证实了相互作用的空间局域性。
• 即使在6 GHz的腔线宽下，系统仍支持单光子参数耦合度 $ \mathcal{C}^{(1)} \approx 10 $，实现了单光子水平的静态非线性。
• 在20 mK低温冷却下，单光子耦合强度可提升至 $ \approx 7\,\text{MHz} $，产生 $ \delta x^{(1)} \approx 8000\,\delta x_{\rm zpf} $ 的静态位移，远高于热噪声。