[论文解读] Improving Cooling performance of the mechanical resonator with the two-level-system defects

Tian Chen, Xiang‐Bin Wang|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2014

Mechanical and Optical Resonators参考文献 32被引用 2

一句话总结

本文提出使用周期性 σz 脉冲来抑制光机械系统中机械振子冷却时由两能级系统（TLS）缺陷引起的有害退相干。通过翻转 TLS 算符的符号，该脉冲方法在时间的一阶范围内消除了缺陷-热浴相互作用，从而在不同缺陷能隙和阻尼率下实现高效冷却——与无脉冲情况相比，剩余声子数减少了 99%。

ABSTRACT

We study cooling performance of a realistic mechanical resonator containing defects. The normal cooling method through an optomechanical system does not work efficiently due to those defects. We show by employing periodical $\sigma_z$ pulses, we can eliminate the interaction between defects and their surrounded heat baths up to the first order of time. Compared with the cooling performance of no $\sigma_z$ pulses case, much better cooling results are obtained. Moreover, this pulse sequence has an ability to improve the cooling performance of the resonator with different defects energy gaps and different defects damping rates.

研究动机与目标

• 解决 TLS 缺陷导致光机械系统冷却效率下降的挑战。
• 开发一种控制策略，以减轻机械振子中缺陷引起的热噪声。
• 在不同缺陷能隙和阻尼率下展示改进的冷却性能。
• 验证周期性 σz 脉冲在时间一阶范围内抑制缺陷-热浴耦合的有效性。

提出的方法

• 对 σ− 和 σ+ 算符应用周期性 σz 脉冲以翻转其符号，从而有效反转 TLS 缺陷与其热浴之间的相互作用。
• 基于极化子双态的主方程方法，模拟耦合 TLS-振子系统的动力学。
• 将总哈密顿量建模为包括腔模、机械振子、TLS 以及三个独立热浴（耦合强度分别为 g、λ 和 γ）的系统。
• 通过动力学解耦，利用时间平均有效哈密顿量消除一阶缺陷-热浴耦合。
• 将基于极化子的主方程结果与一种‘简单方法’进行比较，后者直接将缺陷项加入裸振子主方程中。
• 通过数值模拟评估声子占据数 ⟨nosc⟩ 随缺陷阻尼率 γτ 和脉冲数 N 的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 周期性 σz 脉冲能否有效抑制 TLS 缺陷对机械振子冷却的有害影响？
• RQ2 冷却性能如何随不同缺陷能隙（ωz/ωm）变化？
• RQ3 缺陷阻尼率（γτ）在存在 σz 脉冲时如何影响剩余声子数？
• RQ4 基于极化子的主方程与‘简单方法’主方程模型是否给出一致的冷却预测？
• RQ5 实现最小剩余声子占据数的最优 σz 脉冲数（N）是多少？

主要发现

• 当 N = 99 个 σz 脉冲时，若缺陷阻尼率 γτ 在 10−6 至 10−5 之间，剩余声子数 ⟨nosc⟩ 降低至约 0.004。
• 对于 ωz/ωm = 0.95（近共振情况），即使在低 γτ 条件下冷却依然有效，当 N = 99 时 ⟨nosc⟩ ≈ 0.004。
• 对于 ωz/ωm = 0.60（非共振情况），无脉冲时冷却无效（⟨nosc⟩ > 0.01），但使用 N = 99 个脉冲后，⟨nosc⟩ 降低至 0.004 以下。
• 基于极化子的主方程与‘简单方法’主方程在冷却趋势上定性相似，但在预测的声子数上存在定量差异。
• 该方法在不同缺陷能隙和阻尼率下均表现出鲁棒性，显示出广泛适用性。
• 脉冲序列有效抑制了时间一阶范围内的缺陷-热浴耦合，显著提升了冷却性能。