[论文解读] Nano-optomechanical measurement in the photon counting regime

Laure Mercier de Lépinay, Benjamin Pigeau+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

该论文通过利用振动纳米线中氮空位（NV）中心的光子统计特性，实现了超低光照强度下的纳米光机电传感。通过测量单光子发射的时空相关性，作者在光子数低于每振荡周期一个光子的条件下，实现了对纳米机械振动的定量检测——这使得在传统探测器受暗电流噪声限制的光子计数区域中实现运动传感成为可能。

ABSTRACT

Optically measuring in the photon counting regime is a recurrent challenge in modern physics and a guarantee to develop weakly invasive probes. Here we investigate this idea on a hybrid nano-optomechanical system composed of a nanowire hybridized to a single Nitrogen-Vacancy (NV) defect. The vibrations of the nanoresonator grant a spatial degree of freedom to the quantum emitter and the photon emission event can now vary in space and time. We investigate how the nanomotion is encoded on the detected photon statistics and explore their spatio-temporal correlation properties. This allows a quantitative measurement of the vibrations of the nanomechanical oscillator at unprecedentedly low light intensities in the photon counting regime when less than one photon is detected per oscillation period, where standard detectors are dark-noise-limited. These results have implications for probing weakly interacting nanoresonators, for low temperature experiments and for investigating single moving markers.

研究动机与目标

• 在低于光子计数区域阈值的超低光照强度下，实现对纳米机械振子的运动检测。
• 研究纳米线的纳米运动如何编码于附着在其末端的单个NV中心所发射光子的时空统计特性中。
• 开发一种非侵入式、量子极限的读出策略，用于弱耦合纳米机械系统，替代基于强度的探测方法，采用光子统计方法。
• 通过解析与数值建模，验证将光子自相关函数与机械振子位置涨落相联系的理论框架。
• 展示在亚飞瓦功率水平（例如约100 aW）下探测纳米谐振器热噪声的可行性，该水平对低温与生物应用具有重要意义。

提出的方法

• 采用一种混合纳米光机电系统，将单个NV中心连接在长度为46 µm的碳化硅（SiC）纳米线上，使其作为纳米机械振子。
• 使用高数值孔径物镜聚焦泵浦激光，形成强约束的激发体积，使NV中心的发射在空间上受纳米线运动调制。
• 利用双单光子计数器测量不同空间探测器位置的强度自相关函数 $ g^{(2)}( au) $，以分析光子统计特性。
• 通过分析从两个空间分离的探测器收集的光子通量之间的时空互相关，重建发射体在空间与时间上的轨迹。
• 建立光子自相关函数关于振子位置自相关函数 $ C_ heta( au) $ 的幂级数展开，最高至四阶，以模拟运动引起的光子聚集效应。
• 将解析模型与NV荧光动力学在振荡运动下的直接数值模拟进行对比，使用拟合系数 $ eta_j $ 并与推导出的 $ A_j $ 系数进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米机械振子的运动如何调制附着在其上的单个量子发射器所发射光子的时空统计特性？
• RQ2 当标准强度探测器受暗电流噪声限制时，是否可利用光子计数区域（每周期光子数低于一个）的光子统计特性，对纳米机械振动实现定量测量？
• RQ3 有限测量体积与探测器空间分离在产生运动引起的光子聚集信号中起什么作用？
• RQ4 在多大程度上可从测量的光子互相关中重建振子位置涨落的自相关函数？
• RQ5 在 $ g^{(2)}( au) $ 对 $ C_ heta( au) $ 的展开中，高阶项如何影响振荡运动的探测，尤其是在低信号水平下？

主要发现

• 作者在约100 aW的光强下实现了对纳米机械振动的定量测量，对应每振荡周期检测到的光子数少于一个。
• 由于测量体积有限，观测到光子聚集现象，其程度与振子位置自相关函数 $ C_ heta( au) $ 直接相关。
• 从两个空间分离的探测器收集的光子通量之间的时序互相关揭示了移动NV中心的轨迹，从而实现了对振子在空间与时间上运动的重建。
• 采用 $ g^{(2)}( au) $ 对 $ C_ heta( au) $ 的幂级数展开的理论建模与数值模拟结果高度一致，验证了该方法在强驱动条件下的有效性。
• 当探测器对称放置于中心时，展开中的奇数阶系数 $ A_{2j+1} $ 消失，证实 $ g^{(2)} $ 中与运动相关的部分是 $ C_ heta( au) $ 的偶函数，导致相关信号出现对比度反转。
• 该方法可在4 K下探测纳米谐振器的热噪声，位移噪声底限约为12 nm，显著低于300 K时的约102 nm，证明其在低温实验中的适用性。