[论文解读] Characterization of a double torsion pendulum used to detect spin-induced torque based on Beth's experiment

Runa Yasuda, A. Hatakeyama|arXiv (Cornell University)|May 13, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 14被引用 2

一句话总结

本研究提出了一种双扭摆系统，在10⁴秒内实现了2×10⁻¹⁷ N·m的光子自旋引起的扭矩灵敏度，接近热噪声极限。通过使用偏振调制的圆偏振光进行受迫扭摆振荡，该系统验证了每个光子传递ħ的角动量，实现了对贝斯1936年实验的现代复现，灵敏度更高且具备被动隔振功能。

ABSTRACT

We characterized a double torsion pendulum system, including measurements of the photon-spin-induced torque. Our experimental strategy was similar to that used in Beth's experiment, which was performed in 1936 to measure photon-spin-induced torque using forced oscillation caused by polarization modulation of light incident on a suspended object. Through simple passive isolation of the suspended object from external vibration noise, the achieved torque sensitivity was 2 x 10^{-17} N m in a measurement time of 10^4 s, which is close to the thermal noise limit and one order smaller than the minimum torque measured in Beth's experiment. The observed spin-induced torque exerted on the light-absorbing optics is consistent with the angular momentum transfer of hbar per photon.

研究动机与目标

• 开发一种高灵敏度的扭摆系统，用于检测光子自旋引起的扭矩。
• 采用现代受迫振荡方法，复现贝斯1936年的实验，并改进噪声隔离。
• 测量圆偏振光照射至光吸收物体时，每个光子传递的角动量为ħ。
• 确认所观测到的扭矩源于光子自旋，而非辐射压力或其他干扰效应。
• 展示利用双扭摆系统在未来研究原子气体向固体传递自旋的可行性。

提出的方法

• 采用双扭摆结构，第一级作为被动隔振器，以降低环境噪声影响。
• 使用红光探测激光与位置敏感探测器（PSD）进行光杠杆角度测量，公式为 dφ = dx/(2L)。
• 利用波长为852 nm的激光，通过液晶可变延迟器（LCVR）调制偏振态，周期性地将光子自旋从+ħ翻转至-ħ。
• 在扭摆共振频率（0.11 Hz）处施加受迫扭摆振荡，并采用锁相检测技术提取信号，使用正交分量分析。
• 根据测得的正交分量不确定度及系统参数（Q、ωR、I），通过公式（3）计算扭矩灵敏度。
• 利用 Nther = π/4 × √(4kBTIωR/(Q∆t)) 估算热噪声极限，并与实验灵敏度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 双扭摆系统是否能在检测光子自旋引起的扭矩时，实现接近热噪声极限的扭矩灵敏度？
• RQ2 在光吸收ND滤光片上观测到的扭矩是否与圆偏振光每光子传递ħ角动量的理论值一致？
• RQ3 所测得的扭矩是否主要源于光子自旋，还是辐射压力或辐射计效应有显著贡献？
• RQ4 与贝斯原始装置相比，双扭摆结构的被动隔振在提升灵敏度方面有何改善？
• RQ5 该系统是否能在10⁴秒积分时间内可靠检测到10⁻¹⁷ N·m量级的自旋诱导扭矩？

主要发现

• 在10⁴秒测量时间内，系统的扭矩灵敏度为2×10⁻¹⁷ N·m，接近热噪声极限值2×10⁻¹⁷ N·m。
• ND滤光片上观测到的光子自旋引起的扭矩与左旋圆偏振光每光子传递ħ角动量的理论预测一致。
• 扭矩的偏振依赖性与光子自旋分量沿传播方向的投影呈线性关系，证实了其自旋起源。
• 辐射压力扭矩的估计值为1×10⁻¹⁸ N·m，远小于由偏振变化引起的1×10⁻¹⁶ N·m扭矩调制，可忽略不计。
• 在10⁴秒测量中，正交分量不确定度为0.1 µrad，对应扭矩检测不确定度为2×10⁻¹⁷ N·m，与热噪声极限一致。
• 该系统成功实现了对贝斯1936年实验的现代高灵敏度复现，采用被动隔振与锁相检测技术。