[论文解读] Injection locking of a levitated optomechanical oscillator for precision force sensing

Siamak Dadras, Robert M. Pettit+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2020

Mechanical and Optical Resonators参考文献 62被引用 4

一句话总结

本文展示了将悬浮二氧化硅纳米球光机械振荡器注入锁定至外部激光的共振强度调制，实现了约23 zN/√Hz的力灵敏度。通过利用注入锁定来展宽振荡线宽并降低噪声，该系统实现了在zeptonewton量级的高精度力测量，适用于探测短程力及纳米尺度系统中的光致相互作用。

ABSTRACT

We report on the injection locking of an optically levitated nanomechanical oscillator (a silica nanosphere) to resonant intensity modulations of an external optical signal. We explore the characteristic features of injection locking in this system, e.g. the phase pull-in effect and the injection-induced reduction of the oscillation linewidth. Our measurements are in good agreement with theoretical predictions and deepen the analogy of injection locking in levitated optomechanical systems to that in optical systems (lasers). By measuring the force noise of our feedback cooled free-running oscillator, we attain a force sensitivity of $\sim23~ m{zN}/\sqrt{ m{Hz}}$. This can readily allow, in fairly short integration times, for tests of violations of Newtonian gravity and searching for new small-scale forces. As a proof of concept, we show that the injection locking can be exploited to measure the forces optically induced on levitated nanoparticles, with potential applications in explorations of optical binding and entanglement between optically coupled nanomechanical oscillators.

研究动机与目标

• 通过注入锁定在室温下实现悬浮光机械系统中亚zeptonewton量级的力灵敏度。
• 探索悬浮光机械系统中注入锁定与激光等光学系统中注入锁定的类比关系。
• 展示一种通过注入锁定测量纳米颗粒上微小光学力的实用方法。
• 利用高Q因子、反馈冷却的悬浮纳米球，实现对非牛顿引力和新尺度小力的测试。

提出的方法

• 在高真空中通过光学捕获并反馈冷却一个二氧化硅纳米球（半径73.2 nm，质量3.6 fg），使其有效温度降至23.9 mK。
• 通过外部激光在机械共振频率（128 kHz）处进行强度调制，将相干信号注入振荡器。
• 通过将纳米球的机械振荡相位锁定至调制信号，实现注入锁定，从而展宽振荡线宽并提高信噪比。
• 通过位移功率谱密度和噪声分析测量系统的力灵敏度，热噪声、散粒噪声和反馈噪声的贡献通过朗之万方程框架进行建模。
• 通过振荡的DFT振幅和已知的力噪声底限对注入力进行校准，实现定量力测量。
• 将理论预测的注入锁定动力学（包括相位拉入和线宽展宽）与实验数据对比，以验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 注入锁定能否在悬浮光机械振荡器中有效实现，以提升力灵敏度？
• RQ2 在高Q因子悬浮系统中，注入锁定在多大程度上能展宽机械振荡线宽并提高信噪比？
• RQ3 系统在自由运行和注入锁定状态下的力灵敏度是多少？是否可达到zeptonewton量级？
• RQ4 能否利用注入锁定测量悬浮纳米颗粒上微小的光学诱导力？
• RQ5 系统的性能与注入锁定振荡器的理论模型相比如何？

主要发现

• 系统在自由运行、反馈冷却状态下实现了约23.12 zN/√Hz的力灵敏度，主要噪声来源为散粒噪声和热涨落。
• 注入锁定显著展宽了机械振荡线宽，表现为DFT谱中峰值比自由运行状态更窄。
• 测得的力噪声随时间按t^(-1/2)规律下降，证实了其符合随机过程的预期标度，使在约300秒积分时间内可探测到约1 zN的力。
• 通过校准注入锁定下DFT振幅的增加，成功测量出127 zN的注入光学力，验证了传感协议的有效性。
• 理论预测的注入锁定系统中相位拉入和线宽展宽行为与实验观测结果高度一致。
• 该系统在中等带宽下展现出探测1 zN量级力的潜力，可实现对非牛顿引力和短程相互作用的测试。