[论文解读] Thermomechanical two-mode squeezing in an ultrahigh $Q$ membrane resonator

Yogesh Sharad Patil, Srivatsan Chakram+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2014

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用 9

一句话总结

该论文通过基板介导的两个机械模态之间的非简并参量放大和两模热机械噪声压缩，在超高Q值氮化硅膜谐振器中实现了非简并参量放大与两模热机械噪声压缩。通过在接近两个模态频率之和的频率下驱动基板，作者实现了强而可调的非线性，从而实现了超过20 dB的量子极限噪声压缩，其理论模型基于独立测量的参数，与实验数据高度一致。

ABSTRACT

We realize a nondegenerate parametric amplifier in an ultrahigh $Q$ mechanical membrane resonator and demonstrate two-mode thermomechanical noise squeezing. Our measurements are accurately described by a two-mode model that attributes this nonlinear mechanical interaction to a substrate-mediated process which is dramatically enhanced by the quality factors of the individual modes. This realization of strong multimode nonlinearities in a mechanical platform compatible with quantum-limited optical detection and cooling makes this a powerful system for nonlinear approaches to quantum metrology, transduction between optical and phononic fields and the quantum manipulation of phononic degrees of freedom.

研究动机与目标

• 在适用于量子计量和声子态工程的机械谐振器平台上，实现强、可调且与量子兼容的非线性相互作用。
• 克服在保持量子控制所需的严格热稳定性和相干性要求的同时，实现高强度多模非线性相互作用的挑战。
• 在具有大f×Q值且兼容光机械冷却与量子极限探测的系统中，演示非简并参量放大与两模热机械噪声压缩。
• 确立基板介导机制作为不同机械模态之间非线性耦合的主要来源，通过高品质因子模态增强相互作用强度。

提出的方法

• 采用高应力氮化硅膜谐振器，其品质因数Q > 10×10⁶，f×Q > 1×10¹⁴ Hz，实现长相干时间与高灵敏度。
• 通过在接近两个机械模态频率之和（ωi + ωj）的频率下对硅基板进行压电或光热驱动，激发参量过程。
• 使用带有相位敏感锁相检测的迈克尔逊干涉仪，以分辨并监测单个机械模态，同时利用第三个高品质因子模态实现主动频率稳定。
• 应用两模参量放大的理论模型描述非线性相互作用，其中耦合强度因基板模态的高Q值而增强。
• 通过测量信号与闲频模态的相位依赖增益，确认非简并参量放大，实现超过20 dB的去放大。
• 通过构建两个膜模态位移的交叉正交分量，并分析泵浦激发下的相空间分布，量化两模压缩。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在具有超高Q值的机械谐振器平台上实现强、可调且与量子兼容的多模非线性？
• RQ2 基板介导的耦合在多大程度上增强了不同机械模态之间参量相互作用的强度？
• RQ3 是否可在具有大f×Q值和低损耗的机械系统中实验演示热机械两模压缩？
• RQ4 泵浦、信号与闲频场之间的相位关系如何影响非简并参量放大器中噪声压缩的程度？
• RQ5 在热平均存在的情况下，机械压缩的最大可实现值是多少？是否可通过弱测量与反馈进一步增强？

主要发现

• 实现了非简并参量放大，参量去放大超过20 dB，证明了两个机械模态之间强非线性耦合。
• 测得的信号模态相位依赖增益与理论模型高度一致，拟合得到的泵浦振幅与独立测量值的偏差在5%以内。
• 观测到热机械两模噪声压缩，由于泵浦场诱导的相关性，相空间分布呈现出显著的椭圆性。
• 实验测得的压缩数据与基于独立测量系统参数（包括Q值、线宽和驱动振幅）的无自由参数模型高度一致。
• 模型预测，最大稳态压缩受场相位上热平均的限制，但通过弱测量与反馈，可实现超过40 dB的机械压缩。
• 通过主动光热反馈，系统在1000秒内实现优于1 ppb的频率稳定性，支持对热机械噪声和压缩的精确长期测量。