[论文解读] Tunable pulse delay and advancement in a coupled nanomechanical resonator-superconducting microwave cavity system

Cheng Jiang, Bin Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2010

Mechanical and Optical Resonators被引用 11

一句话总结

本文提出了一种在纳米机械谐振子-超导微波腔系统中通过强泵浦场控制实现可调谐微波脉冲延迟与超前的方案。通过将泵浦-腔体失谐调节至红边带或蓝边带条件，系统可实现可控的慢光（延迟）或快光（超前）效应，且延迟或超前的幅度可通过泵浦功率连续调节，在低功率水平下实现高达0.2 ms的群速度延迟。

ABSTRACT

We theoretically study the transmission of a weak probe field under the influence of a strong pump field in a coupled nanomechanical resonator-superconducting microwave cavity system. Using the standard input-output theory, we find that both pulse delay (slow light effect) and advancement (fast light effect) of the probe field can appear in this coupled system provided that we choose the suitable detuning of the pump field from cavity resonance. The magnitude of the delay (advancement) can be tuned continuously by adjusting the power of the pump field. This technique demonstrates great potential in applications including microwave phase shifter and delay line.

研究动机与目标

• 展示在耦合的纳米机械谐振子-超导微波腔系统中实现可调谐微波脉冲延迟与超前。
• 探索通过泵浦场控制在单一平台上实现慢光与快光效应的可行性。
• 通过调节泵浦功率实现群延迟或超前幅度的连续调节。
• 研究该系统在微波光子学应用中的潜力，例如延迟线与相位移器。

提出的方法

• 该系统采用电容耦合的纳米机械谐振子与超导微波腔，由强泵浦场与弱探测场驱动腔体。
• 理论分析基于输入-输出理论与旋转参考系中以泵浦频率为基准的哈密顿量模型，包含腔体-谐振子耦合及外部场驱动。
• 耦合强度λ由机械位移对腔体谐振频率的影响推导得出，其中λ = gδx_zp，g为频率导数，δx_zp为零点运动。
• 系统工作在分辨边带区域（ω_n > κ），实现强耦合与冷却条件。
• 通过探测场透射谱的相位色散推导群延迟τ_g，分析脉冲延迟与超前效应。
• 通过调节泵浦-腔体失谐Δ_p至±ω_n，实现红边带（延迟）或蓝边带（超前）工作模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在单个纳米机械谐振子-超导微波腔系统中，仅通过单一泵浦场实现脉冲延迟与超前？
• RQ2 泵浦功率如何影响该系统中群延迟或超前幅度？
• RQ3 泵浦-腔体失谐（Δ_p）在慢光与快光模式之间切换中起什么作用？
• RQ4 该系统能否在无显著吸收或放大条件下实现可调延迟或超前？
• RQ5 在实验可行条件下，系统可实现的最大群延迟或超前幅度是多少？

主要发现

• 当腔体在红边带条件驱动（Δ_p = ω_n）时，在Δ_r = 0附近形成具有陡峭正相位色散的窄透明窗口，产生慢光效应与脉冲延迟。
• 在泵浦功率为8 nW时，群延迟τ_g最高可达0.2 ms，表明可通过泵浦功率实现强可调性。
• 当在蓝边带条件驱动（Δ_p = -ω_n）时，出现具有陡峭负相位色散的窄透明窗口，实现快光与脉冲超前。
• 在蓝边带驱动下，群延迟变为负值，证实进入快光区域，输出脉冲呈现时间超前特性。
• 通过扫描泵浦频率跨越腔体谐振频率，可实现延迟与超前模式的连续切换，且吸收或放大效应极小。
• 透明窗口源于探测场与反斯托克斯场（红边带）或斯托克斯场（蓝边带）之间的相消干涉，类似于电磁感应透明效应。