[论文解读] Detecting Thermal Acoustic Radiation with an Optomechanical Antenna

Robinjeet Singh, Thomas Purdy|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2019

Mechanical and Optical Resonators被引用 2

一句话总结

本文展示了，氮化硅膜光机械谐振器能够探测来自远处宏观热浴（作为声学黑体）的热声辐射。通过将纳米机械模式温度与局部材料温度解耦，该系统实现了精确测温与光声成像，为抑制量子光机械实验中的自加热效应提供了新途径。

ABSTRACT

Nanomechanical systems are generally embedded in a macroscopic environment where the sources of thermal noise are difficult to pinpoint. We engineer a silicon nitride membrane optomechanical resonator such that its thermal noise is acoustically driven by a spatially well-defined remote macroscopic bath. This bath acts as an acoustic blackbody emitting and absorbing acoustic radiation through the silicon substrate. Our optomechanical system acts as a sensitive detector for the blackbody temperature and for photoacoustic imaging. We demonstrate that the nanomechanical mode temperature is governed by the blackbody temperature and not by the local material temperature of the resonator. Our work presents a route to mitigate self-heating effects in optomechanical thermometry and other quantum optomechanics experiments, as well as acoustic communication in quantum information.

研究动机与目标

• 在纳米机械系统中分离并探测来自远处宏观热浴的热声辐射。
• 通过将机械模式温度与局部材料温度解耦，解决光机械测温中自加热效应的挑战。
• 证明纳米机械模式受声学热浴的黑体温度支配，而非谐振器的局部温度。
• 通过抑制本地热源引起的热噪声，为量子光机械学和声学通信应用提供支持。

提出的方法

• 设计了具有特定声学耦合特性的氮化硅薄膜作为光机械谐振器，使其与远处宏观热浴相连。
• 利用硅基底作为声辐射在热浴与谐振器之间的波导。
• 将远距离热浴视为声学黑体辐射源与吸收体。
• 采用光学读出技术监测机械模式温度，并与黑体温度进行关联。
• 通过改变热浴温度，表征系统响应，确认热辐射主导于本地加热效应。
• 验证机械模式温度与黑体温度一致，而非谐振器的局部温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米机械系统能否探测来自远处宏观热浴的热声辐射？
• RQ2 机械模式温度在多大程度上依赖于热浴的黑体温度，而非局部材料温度？
• RQ3 能否利用声学黑体辐射来抑制光机械测温中的自加热效应？
• RQ4 该系统是否适用于光声成像与量子声学通信？

主要发现

• 纳米机械模式温度由远距离声学黑体热浴的温度决定，而非谐振器的局部温度。
• 系统中的热噪声主要由远距离热浴的声辐射驱动，而非本地热涨落。
• 该光机械系统作为黑体温度的高灵敏度探测器，实现了精确测温。
• 通过检测样品经由黑体热浴发射的声辐射，系统可实现光声成像。
• 通过将机械模式与本地热源隔离，可有效抑制光机械实验中的自加热效应。
• 研究结果为利用工程化黑体辐射实现量子信息系统的声学通信开辟了新路径。