[论文解读] Observation of Quantum Motion in a Nanogram-scale Object

Dong‐Hun Lee, Mitchell Underwood+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2014

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

本研究通过在光学腔中采用混频检测测量红边带和蓝边带，实现了对纳米克级机械振子（43 ng，705 kHz）的量子运动观测。该振子的平均声子数为0.84 ± 0.22，对应温度为28 ± 7 μK，证实了接近基态冷却，并与包含场和振子涨落的量子理论相符。

ABSTRACT

We describe measurements of the motional sidebands produced by a mechanical oscillator (with effective mass 43 ng and resonant frequency 705 kHz) that is placed in an optical cavity and cooled close to its quantum ground state. The red and blue sidebands (corresponding to Stokes and anti-Stokes scattering) from a single laser beam are recorded simultaneously via a heterodyne measurement. The oscillator's mean phonon number n is inferred from the ratio of the sidebands, and reaches a minimum value of 0.84 +- 0.22 (corresponding to a mode temperature T = 28 +- 7 microK). We also infer n from the calibrated area of each of the two sidebands, and from the oscillator's total damping. The values of n inferred from these four methods are in close agreement. The behavior of the sidebands as a function of the oscillator's temperature agrees well with theory that includes the quantum fluctuations of both the cavity field and the mechanical oscillator.

研究动机与目标

• 在纳米克级质量的宏观机械振子中观测量子运动。
• 通过光学腔耦合将振子冷却至其量子基态附近。
• 通过单束激光测量并分析运动边带，以推断振子的量子态。
• 验证同时考虑机械振子和腔场量子涨落的理论模型。

提出的方法

• 将纳米克级机械振子与光学腔耦合，并冷却至其量子基态附近。
• 使用单束激光同时激发红边带（斯托克斯）和蓝边带（反斯托克斯）。
• 采用混频检测记录边带，并提取其相对振幅和面积。
• 通过边带强度比、校准面积和总阻尼率推断平均声子数n。
• 理论建模同时考虑了机械振子和腔场的量子涨落。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在质量为43 ng的机械振子中观测到量子运动？
• RQ2 该振子在多大程度上可被冷却至其量子基态？
• RQ3 测量得到的边带强度是否与包含振子和腔场涨落的量子理论一致？
• RQ4 用于推断平均声子数的多种独立方法是否相互一致？

主要发现

• 振子实现了平均声子数为0.84 ± 0.22，表明其处于接近基态冷却状态。
• 对应的模温度测量值为28 ± 7 μK，与量子基态条件一致。
• 边带强度比、校准面积和阻尼率均得出一致的平均声子数结果。
• 观测到的边带行为与同时包含机械振子和腔场涨落的量子理论高度吻合。