[论文解读] Linear Ultrastrong Optomechanical Interaction

Kahan Dare, Jannek J. Hansen+4 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用 10

一句话总结

论文展示了一个纯线性腔光机械系统，通过相干散射达到超强耦合，实现 g_x/Omega_x 高达 0.55，并在悬浮纳米粒子系统中揭示稳定、可原位调节的耦合。

ABSTRACT

Light-matter interaction in the ultrastrong coupling regime can be used to generate exotic ground states with two-mode squeezing and may be of use for quantum enhanced sensing. Current demonstrations of ultrastrong coupling have been performed in fundamentally nonlinear systems. We report a cavity optomechanical system that operates in the linear coupling regime, reaching a maximum coupling of $g_x/Ω_x=0.55\pm 0.02$. Such a system is inherently unstable, which may in the future enable strong mechanical squeezing.

研究动机与目标

• 激发在线性（而非非线性）光物质相互作用中的超强耦合的探索。
• 通过在悬浮系统中实现相干散射的原位可调线性光机械耦合。
• 表征当 g_x 接近并超过 κ/4 时的耦合区间和动力稳定性。
• 展示耦合速率和机械频率可以独立调节。
• 为基于线性系统的量子传感和利用超强耦合的挤压奠定基础。

提出的方法

• 通过将光学悬浮的介电纳米粒子相干散射入高腔衰减的光学腔，以实现线性光机械哈密顿量 H/ħ = Ω_x b†b + Δa†a + g_x(a + a†)(b + b†)。
• 通过调整纳米粒子的位置 d、偏振角 θ 和夹持光强来原位调节 g_x。
• 在侧带解析状态下工作，其中 κ 主导 γ，使得观测到法线模分裂和在 g_x/Ω_x ≈ 0.35–0.55 的超强耦合。
• 通过傅里叶域解和包含光学与力学感应量 χ_l(ω) 与 χ_m(ω) 的 4×4 耦合矩阵 M(ω) 分析系统动力学。
• 确定不稳定条件 (g_x/Ω_x)^2 > ¼(Δ/Ω_x + κ^2/(4ΔΩ_x)) 并将其与观测到的解调 Δ ≈ Ω_x 相关。
• 通过相对于腔轴的 z_0 映射 g_x 的空间依赖性，并与理论 g_x(z_0) ∝ exp(-z_0^2/w_cav^2) 进行比较。

Figure 1: Experimental setup for cavity optomechanics via coherent scattering. (a) A silica nanoparticle is trapped in an optical tweezer (propagating along the $z$ -axis, red) formed by a microscope objective (MO) inside the vacuum chamber. The particle scatters light into the empty cavity mode (or

实验结果

研究问题

• RQ1 一个纯线性光机械系统在保持原位可调的同时，是否能够达到超强耦合（g_x 与 Ω_x 相当）？
• RQ2 在一个通过相干散射的悬浮系统中，线性超强耦合的光谱特征（法线模分裂、避免性交叉）是什么？
• RQ3 耦合速率 g_x 如何依赖于纳米粒子的位置和偏振，以及这对稳定性与挤压潜力有何影响？
• RQ4 稳定性准则是什么，以及在不稳定阈值附近对量子传感的影响？
• RQ5 原位调谐如何促成未来在超强线性耦合体系中的量子控制与热力学研究？

主要发现

• 通过相干散射实现的纯线性光机械系统达到了超强耦合，g_x/Ω_x 高达 0.55 ± 0.02。
• 当 g_x 穿过 κ/4 时观察到法线模分裂与避免交叉，确认在线性情境下从强耦合到超强耦合。
• 耦合速率 g_x 可通过粒子位置、偏振和夹持光强在原位进行调节，空间依赖性遵循腔模分布。
• 在高耦合下，Δ ≈ Ω_x 附近出现不稳定性，与线性-超强动力学一致，有望实现机械挤压。
• 理论上存在证据表明在线性体系内，g_x/Ω_x > 0.5 可以实现基态冷却和纠缠。
• 作为 z_0 的函数测得的 g_x/Ω_x 曲线与腔模上理论预期一致。
• 当粒子位于腔节点并直接处于轴线上时，报告的最大耦合为 g_x/Ω_x = 0.55。

Figure 2: Power spectral densities (PSD) $S_{xx}(\omega)$ (arb. units) of the mechanical motion. (a) The standard PSD of a thermal mechanical oscillator that is unaffected by the cavity. Two peaks corresponding to the $z$ - and $x$ -motion are visible at $\Omega_{z}\approx 0.2\>\Omega_{x}$ and $\Ome