[论文解读] Emitter-Optomechanical Interaction in Ultra-High-Q hBN Nanocavities

Chenjiang Qian, Viviana Villafañe+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

本研究展示了在超高Q值六方氮化硼（hBN）纳米腔中，由声子诱导的发射体-光机械耦合效应，该纳米腔中包含带电硼空位（V_B⁻）中心。通过空间分辨光致发光和拉曼光谱分析，研究发现腔体机械模式通过内在电子-声子耦合诱导了非对称光谱线型和声子极化激元，其中关键的非对称性仅在Q > 10⁴时出现，证实了超越Jaynes-Cummings模型的新型自旋-光子-声子混合量子接口。

ABSTRACT

Integrating quantum emitters into nanocavities which simultaneously couple to the photonic and mechanical modes is critical for interfacing electron spins, photons and phonons in the cavity QED system. Here, we investigate the interaction between the charged boron vacancy $V_B^-$, ultra-high-Q ($\sim10^5$) cavity photonic modes and local phonon modes. A pronounced asymmetry is observed in the emission spectrum for cavities with Q-factor above a threshold of 10$^4$. Similar asymmetries are not observed for cavities without $V_B^-$ centers. To explain our findings, we model the system with phonon-induced light-matter coupling based on $V_B^-$ centers, and compare to the Jaynes-Cummings model for usual emitters. Our results reveal that the multipartite interplay arises during the light-matter coupling of $V_B^-$ centers, illustrating that it is phonon-induced, rather than being caused by thermal population of phonon modes. Such emitter-optomechanical interaction between different photon ($V_B^-$ emission, cavity photonic) and phonon ($V_B^-$ phonon, cavity mechanical) modes provides a novel system to interface spin defects, photons and phonons in condensed matters.

研究动机与目标

• 探索纳米腔中量子发射体、光子模式与机械振动之间的相互作用。
• 研究V_B⁻中心中由声子诱导的光-物质耦合是否导致超越标准Jaynes-Cummings模型的光机械效应。
• 构建一个自旋、光子与声子通过内在电子-声子相互作用实现相干耦合的混合量子系统。
• 通过共振激发实现对V_B⁻发射与声子模式的腔光机械控制。

提出的方法

• 通过30 keV N⁺离子辐照，在hBN/Si₃N₄纳米梁腔中制备出超高Q值（Q ~ 10⁵）的hBN纳米腔，并引入局域化的V_B⁻中心。
• 采用空间分辨光致发光（PL）和拉曼光谱技术，绘制腔体中发射光谱与声子模式的分布。
• 使用波长可调谐至腔体光子模式（731 nm）的连续共振激光激发（532 nm，线宽约1 MHz），探测光机械耦合效应。
• 基于声子诱导的光-物质耦合理论，构建数值模型，与标准Jaynes-Cummings模型进行对比。
• 将PL与拉曼光谱峰的位置依赖性位移相关联，以识别由机械模式耦合引起的反交叉现象与声子极化激元。
• 分析PL线型的光谱非对称性随腔体Q值的变化，识别出Q ≈ 10⁴为临界阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超高Q值hBN纳米腔中，V_B⁻中心的存在是否会导致光子模式与机械模式之间可观测的光机械耦合？
• RQ2 观测到的发射光谱线型非对称性是否源于声子诱导的光-物质耦合，而非热声子布居？
• RQ3 腔体机械模式是否能通过非对称拉曼增强效应，作为媒介实现腔光子与V_B⁻声子之间的耦合？
• RQ4 腔体Q值如何影响该体系中光机械效应的出现？
• RQ5 PL与拉曼光谱中反交叉特征的出现，在多大程度上证实了声子极化激元的形成？

主要发现

• 当腔体Q值超过~10⁴时，光致发光线型中才出现显著的光谱非对称性，表明光机械耦合存在一个临界阈值。
• 在无V_B⁻中心的腔体中该非对称性完全缺失，证实其源于发射体-光机械相互作用。
• PL与拉曼光谱中观测到的光谱特征及反交叉现象高度相关，表明由V_B⁻与机械模式耦合形成的声子极化激元。
• 共振激发揭示了V_B⁻声子拉曼峰的非对称增强：蓝失谐（加热）时增强超过10倍，而红失谐（冷却）时增强微弱，表明机械模式介导了耦合。
• Si₃N₄声子峰的增强呈对称且微弱（约10%），证实腔光子直接耦合至Si₃N₄声子，而无需机械模式的中介作用。
• 实验数据与声子诱导光-物质耦合模型高度吻合，但与标准Jaynes-Cummings模型预测不符，证实了内在电子-声子耦合的关键作用。