[论文解读] Electromagnetically induced transparency and optical memories in an optomechanical system with $N$ membranes

Sumei Huang, Mankei Tsang|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2014

Mechanical and Optical Resonators被引用 7

一句话总结

本文提出一种具有 N 个近乎简并膜的宏观光机械系统，置于法布里-珀罗腔中，以实现多个电磁感应透明（EIT）窗口及可调控的光学存储。通过施加强耦合场，该系统表现出最多 N 个透明窗口，且群速度可调，实现通过辐射压力引起的机械激发，同时在多个频率上存储和读取探测脉冲。

ABSTRACT

We study the propagation of a weak probe field through an optomechanical system in which $N$ nearly degenerate mechanical membranes are inside a Febry-Perot cavity, and couple dispersively to an intracavity field. We derive a general analytical expression for the output probe field. We show that the in-phase quadrature of the output probe field can exhibit multiple electromagnetically induced transparency with at most $N$ narrow transparency windows. We find that the superluminal light can be achieved with at most $N$ different negative group velocities at the transparency windows. Moreover, by using a time-dependent strong coupling pulse, we numerically simulate the storage and retrieval of a weak Gaussian-shaped probe pulse in an optical cavity with two nearly degenerate mechanical resonators.

研究动机与目标

• 展示具有 N 个膜的宏观光机械系统中存在多个电磁感应透明（EIT）现象。
• 研究通过有效光机械耦合强度对群速度（包括负值）的调控。
• 利用 N 个膜的机械模式，实现在多个频率上同时存储和检索探测脉冲的光学存储。
• 将 EIT 类现象和光学存储功能从原子系统扩展到可扩展的、室温运行的光机械平台。
• 为利用腔光机械系统中机械共振实现多通道量子信息处理提供理论框架。

提出的方法

• 建立一个具有 N 个无损耗膜的法布里-珀罗腔模型，每个膜通过辐射压力与腔场耦合，且腔频率与膜位移呈线性依赖关系。
• 通过腔场和机械模算符的线性化运动方程，推导出输出探测场的一般解析表达式。
• 施加强耦合场，通过多个机械模之间的量子干涉诱导类似 EIT 的行为。
• 使用时变耦合脉冲（写入和读取脉冲）将探测脉冲能量转移至机械激发状态并返回，实现光学存储。
• 利用真实参数（包括阻尼、耦合强度和激光功率）对双膜系统进行数值模拟，实现脉冲存储与读取。
• 分析 EIT 深谷处的群速度和色散特性，以识别超光速和负群速度区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 N 个膜的光机械系统是否能够支持最多 N 个独立的电磁感应透明窗口？
• RQ2 有效光机械耦合强度如何影响透明窗口的线宽和群速度？
• RQ3 该系统是否能够同时在多个频率上实现可调控的负群速度？
• RQ4 是否可能通过双膜光机械腔在两个不同频率上实现探测脉冲的存储与读取？
• RQ5 时变耦合脉冲在实现光学自由度与机械自由度之间可逆能量转移中起到何种作用？

主要发现

• 由于 N 个近乎简并的机械模之间的量子干涉，系统在探测透射谱中表现出最多 N 个独立的透明窗口。
• EIT 窗口的线宽随有效光机械耦合强度的增加而增大，从而实现可调谐的光谱分辨率。
• 在最多 N 个不同频率上实现了负群速度，最低可达 −c/14400，证明了可调控的超光速行为。
• 数值模拟证实，通过施加写入脉冲，高斯探测脉冲可同时被存储在两个膜的机械激发中。
• 通过单独的读取脉冲实现上转换，成功在 6 ms 的存储窗口内实现脉冲读取，效率可观。
• 在存储过程中，归一化的机械激发强度达到显著水平（例如，约探测光功率的 10%），证实了有效的能量转移。