[论文解读] Experimentally Feasible Dynamical Casimir Effect in Parametrically Amplified Cavity Optomechanics

Wei Qin, Vincenzo Macrí+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2019

Mechanical and Optical Resonators被引用 3

一句话总结

本文提出了一种实验上可行的方法，通过使用失谐的参量驱动来压缩腔模，从而在腔式光机械系统中观测动力学卡西米尔效应（DCE）。该方法实现了机械模与压缩模之间的共振参量耦合，使DCE表现为由机械运动诱导的双光子高拉曼散射：一个声子被吸收，同时一对光子被散射至反斯托克斯边带。即使压缩程度极低，该效应也能被显著放大，从而避免了对极高镜面速度或极强耦合的要求。

ABSTRACT

To observe the dynamical Casimir effect (DCE) induced by a moving mirror is a long-standing challenge because the mirror velocity needs to approach the speed of light. Here, we present an experimentally feasible method for observing this mechanical DCE in an optomechanical system. It employs a detuned, parametric driving to squeeze a cavity mode, so that the mechanical mode, with a typical resonance frequency, can parametrically and resonantly couple to the squeezed cavity mode, thus leading to a resonantly amplified DCE in the squeezed frame. The DCE process can be interpreted as {\it mechanically-induced two-photon hyper-Raman scattering} in the laboratory frame. Specifically, {\it a photon pair} of the parametric driving absorbs a single phonon and then is scattered into an anti-Stokes sideband. We also find that the squeezing, which additionally induces and amplifies the DCE, can be extremely small. Our method requires neither an ultra-high mechanical-oscillation frequency (i.e., a mirror moving at nearly the speed of light) nor an ultrastrong single-photon optomechanical coupling and, thus, could be implemented in a wide range of physical systems.

研究动机与目标

• 解决在传统设置中，镜面速度需接近光速才能观测到机械系统中动力学卡西米尔效应（DCE）的长期实验挑战。
• 开发一种替代方案，避免对极高机械频率或极强光机械耦合的依赖，这些在当前实验平台中不切实际。
• 通过参量驱动和腔模压缩，在实验上可实现的范围内实现DCE的共振放大。
• 在实验参考系中重新诠释DCE过程为机械诱导的双光子高拉曼散射，提供新的物理视角。

提出的方法

• 利用失谐的参量驱动在腔模中产生量子压缩，形成非经典态，从而改变有效光机械耦合。
• 采用典型共振频率的机械模，与压缩腔模实现共振耦合，从而实现DCE过程的参量放大。
• 在压缩参考系中分析系统，由于机械模与压缩模之间的共振相互作用，DCE被增强。
• 在实验参考系中将DCE重新诠释为双光子高拉曼散射过程：来自驱动场的一对光子吸收一个声子，并被散射至反斯托克斯边带。
• 证明即使极小程度的压缩也能显著放大DCE，从而降低对强压缩或高镜面速度的要求。
• 依赖标准光机械组件和参数，使该方案适用于多种物理系统，包括超导电路和纳米机械谐振器。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖镜面速度接近光速的机械光机械系统中观测到动力学卡西米尔效应？
• RQ2 参量驱动和腔模压缩如何以实验可行的方式增强DCE？
• RQ3 当系统处于压缩态时，DCE过程在实验参考系中的物理诠释是什么？
• RQ4 在仅使用弱压缩的情况下，DCE的放大程度如何，是否可避免对强耦合或高频振荡的需求？

主要发现

• 由于机械模与压缩腔模之间的参量耦合，DCE在压缩参考系中实现共振放大。
• 在实验参考系中，DCE过程在物理上等价于机械诱导的双光子高拉曼散射：一个声子被吸收，一对光子被散射至反斯托克斯边带。
• 即使压缩程度极低，也能显著放大DCE，从而降低观测的实验阈值。
• 该方案无需极高的机械振荡频率或极强的单光子光机械耦合，使其适用于当前实验平台。
• 由于依赖标准光机械组件，该方法在多种物理系统中具有广泛适用性，包括超导电路和纳米机械谐振器。