封面|腔光力系統(tǒng)中機械振子的參量壓縮
《量子電子學報》 2020年第一期封面文章:
Shen Chengyu, Mao Tianhua, Gong Zhicheng, Yuan Quan, FU Hao, Cao Gengyu. Parametric squeezing of mechanical resonator in an optomechanical system [J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2020, 37(1): 29-33.
微納機械振子以其優(yōu)異的力學性質在精密測量領域得到廣泛的應用。通過與其他物理系統(tǒng)的耦合,機械振子可以測量許多物理量。針對不同應用需求,機械振子振動信號的讀出方法大體上可以分為電學讀出和光學讀出。其中,光學讀出手段由于很好地避免環(huán)境電磁噪聲的影響,能夠實現(xiàn)高靈敏度測量,因而在振動信號讀出方面受到了廣泛應用。在激光干涉測量中已經(jīng)可以實現(xiàn)1×10-22 m的光學測量精度。在高精度的測量中,機械振子測量的靈敏度受到系統(tǒng)噪聲的限制,包括熱噪聲、測量儀器的噪聲等。通常在光學測量情況下,熱噪聲是限制機械振子靈敏度的主導噪聲。為了抑制機械振子的熱噪聲,提出了通過冷卻降低系統(tǒng)有效溫度的方法。在采用調制機械振子振動幅度或者振動頻率來進行測量時,只需要將測量分量上的噪聲降低即可達到提高精度的目的。
早在2000年,帝國理工大學的研究小組就提出了利用連續(xù)波驅動來壓縮機械振子振動漲落的理論。在20 mK的初始溫度下,通過電學方法給微納機械振子施加振動頻率兩倍頻的驅動,可以實現(xiàn)機械振子的振動壓縮,同時提出這種方法具有制備機械振子量子壓縮態(tài)的能力。進一步研究表明這種連續(xù)波驅動的壓縮在壓縮過程中會遇到非穩(wěn)態(tài)問題,當壓縮達到一定程度時,再增大調制幅度,便會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定,這導致參量壓縮存在3 dB極限。為了突破3 dB極限,在理論上提出了很多新的方案,例如使用壓縮光對系統(tǒng)進行驅動,或者通過主動反饋的閉環(huán)控制來提高系統(tǒng)穩(wěn)定,從而增大壓縮率。同時,實驗上演示了一些超過3 dB極限的壓縮。但是這些方法具有一些苛刻的要求,在一些實際應用中難以滿足,如磁力顯微鏡等。
為了突破機械振子振動參量壓縮的3 dB極限,中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所波譜與原子分子物理國家重點實驗室曹更玉研究團隊在腔光力系統(tǒng)中通過調制激光光強實現(xiàn)了微懸臂梁的振動壓縮。這種通過光學方法施加參量調制達到壓縮的技術可以用于提高微納機械振子的力學測量靈敏度。論文發(fā)表在《量子電子學報》2020年第一期。
該論文成功在腔光力系統(tǒng)中實現(xiàn)了微懸臂的參量壓縮,并通過反饋突破了參量壓縮的3 dB極限。通過采用鎖頻回路得到微懸臂的振動頻率,根據(jù)該頻率對囚禁激光強度進行兩倍頻調制,實現(xiàn)了對微懸臂的參量驅動。在此基礎上,根據(jù)微懸臂各分量振動信號進一步制備出反饋信號,并施加給壓電陶瓷片對微懸臂進行驅動,成功地達到了利用反饋增強系統(tǒng)穩(wěn)定性的目標。通過對微懸臂振動進行測量,獲得相空間中兩個振動分量上的方差,結果表明最大壓縮量達到了4.4 dB。這種通過光學方法施加參量調制達到壓縮的技術可以用于提高微納機械振子的力學測量靈敏度。