[论文解读] Long-lived guided phonons in fiber by manipulating two-level systems

Ryan O. Behunin, Prashanta Kharel+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2015

Optical Network Technologies参考文献 2被引用 6

一句话总结

该论文表明，通过强声束驱动，熔融石英光纤中的双能级隧穿态（TLSs）可进入光学透明态，从而在1.1 K时将它们对声子耗散的贡献抑制高达45倍。通过在强约束的光-声波导中利用交叉饱和效应，作者实现了超过12,000的声子Q值和超过1毫米的衰减长度，揭示了在最长寿命条件下，瑞利散射是主要的损耗机制。

ABSTRACT

The synthesis of ultra-long lived acoustic phonons in a variety of materials and device geometries could enable a range of new coherent information processing and sensing technologies; many forms of phonon dissipation pose a barrier to this goal. We explore linear and nonlinear contributions to phonon dissipation in silica at cryogenic temperatures using fiber-optic structures that tightly confine both photons and phonons to the fiber-optic core. When immersed in helium, this fiber system supports nearly perfect guidance of 9 GHz acoustic phonons; strong electrostrictively mediated photon-phonon coupling (or guided-wave stimulated Brillouin scattering) permits a flexible form of laser-based phonon spectroscopy. Through linear and nonlinear phonon spectroscopy, we isolate the effects of disorder-induced two-level tunneling states as a source of phononic dissipation in this system. We show that an ensemble of such two-level tunneling states can be driven into transparency--virtually eliminating this source of phonon dissipation over a broad range of frequencies. Experimental studies of phononic self-frequency saturation show excellent agreement with a theoretical model accounting for the phonon coupling to an ensemble of two-level tunneling states. Extending these results, we demonstrate a general approach to suppress dissipation produced by two-level tunneling states via cross-saturation, where the lifetime of a phonons at one frequency can be extended by the presence of a high intensity acoustic beam at another frequency. Although these studies were carried out in silica, our findings are quite general, and can be applied to a range of materials systems and device geometries.

研究动机与目标

• 隔离并控制无序引起的双能级隧穿态（TLSs）对低温熔融石英光纤中声子耗散的贡献。
• 证明可通过强场激光激发使TLSs进入透明态，从而抑制其耗散效应。
• 提出一种通用方法，通过不同声学模式之间的交叉饱和来延长声子寿命。
• 识别在低温条件下超长寿命声子系统中的主导损耗机制。
• 提供一种可扩展的框架，适用于多种材料和器件几何结构，以增强声子相干性。

提出的方法

• 采用光纤平台，将光子和声子在纤芯中实现强约束，从而实现强电致收缩光-声耦合。
• 利用激光声子光谱技术，以毫瓦级光功率非侵入式激发和探测9.2 GHz导波声子。
• 应用线性和非线性光谱技术，提取TLS参数，如密度、耦合强度和弛豫时间。
• 利用遍历假说，将离散的TLS求和转化为能量和隧穿分裂的连续积分。
• 基于TLS-声子耦合的自旋-玻色子模型，推导出共振和弛豫引起的阻尼率（Γ_res 和 Γ_rel）的解析表达式。
• 通过在某一频率施加高强度声束，引入交叉饱和，以抑制另一频率的耗散。

实验结果

研究问题

• RQ1 双能级隧穿态（TLSs）在低温熔融石英光纤中对声子耗散的贡献有多大？
• RQ2 能否通过强场激发抑制TLSs的耗散？若能，其机制是什么？
• RQ3 交叉饱和在通过相互抑制TLS引起的损耗来延长声子寿命方面起什么作用？
• RQ4 在最长声子相干时间下，主导损耗机制是TLSs还是瑞利散射？
• RQ5 所提出的抑制TLS耗散的方法在不同材料和波导几何结构中具有多大普适性？

主要发现

• 双能级隧穿态（TLSs）被确定为低温熔融石英光纤中声子耗散的主要来源，其贡献通过强场激发被抑制高达45倍。
• 系统实现了超过12,000的声子Q值和超过1毫米的衰减长度，表明导波声子传播接近理想状态。
• 实验上证实了交叉饱和效应：在某一频率施加高强度声束，可延长另一频率声子的寿命。
• 声子自频移饱和测量结果与包含TLS系综动力学的理论模型高度一致。
• 在最长观测声子寿命下，瑞利散射被确定为占主导地位的损耗机制，其贡献超过TLSs。
• 理论框架成功预测了饱和临界强度，且临界强度与最小TLS弛豫时间（τ_min）成反比。