Strong dispersive coupling of a high finesse cavity to a micromechanical membrane
宏观力学对象和电磁自由度通过辐射压力相互耦合。具有足够强耦合的光机系统被预测会表现出量子效应，并且是一个相当感兴趣的话题。达到这种状态的设备将提供对光和物质的量子态的新型控制，并将提供一个探索量子物理和经典物理之间边界的新舞台。迄今为止的实验已经实现了足够的光学机械耦合到激光冷却的机械设备，但尚未达到量子制度。该领域的突出技术挑战是将敏感的微机械元件（必须小、轻和柔性）集成到高精细度腔（通常更刚性和更大）中，而不损害两者的机械或光学特性。第二个也是更基本的挑战是读出机械元件的量子态：位移测量（无论多么灵敏）都不能确定振荡器的能量本征态，而与位移以外的量耦合的测量一直难以实现。在这里，我们提出了一种新的光学机械系统，似乎解决这两个挑战。我们展示了一个腔，这是失谐的薄介质膜之间放置两个宏观的，刚性的，高精细度的镜子的运动。这种方法将光学和机械功能分离到物理上不同的结构，并避免损害任何一个。它还允许直接测量膜位移的平方，因此原则上可以测量膜的能量本征态。我们估计用这个方案观察力学系统的量子跃迁是可行的。
2007-07-13 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Spin-Mechanical Scheme with Color Centers in Hexagonal Boron Nitride Membranes
最近在六方氮化硼（hBN）膜中观察到的量子发射体由于较低的空间维度而具有实现高可及性和可控性的潜力。此外，由于其低质量密度和高弹性模量，这些物体自然对宿主膜的振动具有高灵敏度。在这里，我们提出并分析了一个自旋机械系统的基础上的色心悬浮hBN机械谐振器。通过群论分析和从头计算这样的系统的电子和自旋性质，我们确定了一个自旋二重态基态，并证明了自旋-运动相互作用可以工程，使基态冷却的机械谐振器。我们还提出了一个工具箱的初始化，旋转和读出的缺陷自旋量子位。因此，所提出的设置为研究广泛的物理提供了可能性。为了说明其资产，我们表明，一个多组分猫态和压缩态的机械谐振器的快速和噪声弹性的准备是可能的，后者是通过实现极端失谐，超强耦合制度的拉比模型，声子superradiant相变预计发生。
2017-12-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
A controllable superconducting electromechanical oscillator with a suspended membrane
我们制作了一个微型机电系统，其中超导薄膜悬浮，作为一个机械振荡器，电容耦合到超导微波谐振器。随着微波驱动功率的增加，机械振荡器的谐振频率对驱动功率的非单调依赖性已被观察到。我们还演示了机械振荡器的谐振频率的光开关。我们的实验观察定性的理解的理论模型。我们的实验为利用电磁场和/或光场控制谐振频率的机械振荡器的应用铺平了道路，例如在超量子比特-机械振荡器混合系统中的微波-光学接口和可控元件。
2019-02-28 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Direct laser-written optomechanical double membranes in an optical microcavity
University of Bonn（波恩大学）；Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST)（慕尼黑量子科学与技术中心）；Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）
本研究采用3D直接激光写入技术制备光纤法布里-珀罗微腔中的双膜谐振器，实现可控机械模式杂化与增强集体光机械耦合，为多模腔光力学提供可扩展平台。
2026-10-30 physics.optics quant-ph
Degeneracy-breaking and Long-lived Multimode Microwave Electromechanical Systems Enabled by Cubic Silicon-Carbide Membrane Crystals
本研究利用立方碳化硅（3C-SiC）薄膜晶体的高热导率与面内应力特性，揭示其简并破缺现象并实现高Q机械模式，构建相干机电界面控制21个模式，实现长达1小时的可调谐光减速及模式间相干能量传递，为量子信息处理提供新途径。
2025-02-11 cond-mat.mes-hall physics.atm-clus physics.optics
Sympathetic cooling of a membrane oscillator in a hybrid mechanical-atomic system
使用超冷原子和原子离子的交感冷却能够在不可能进行直接激光或蒸发冷却的系统中实现超低温。到目前为止，它仅限于冷却其他微观粒子，其质量比冷却剂原子大$90$倍。在这里，我们使用超冷原子共振冷却的Si $_3$ N $_4$纳米膜，其质量超过的原子系综的一个因素的$10^{10}$的振动。原子和膜振动的耦合通过宏观距离上的激光来介导，并且通过将膜放置在光学腔中来增强。我们观察冷却的膜振动从室温到$650\pm 230$ mK，利用我们的混合光机械系统的大原子膜的协同性。我们的方案使基态冷却和量子控制的低频振荡器，如纳米膜或悬浮的纳米粒子，在制度中，纯光学机械技术不能达到基态。
2014-07-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optomechanical sideband cooling of a thin membrane within a cavity
我们提出了一个实验研究的动态反作用冷却的基本振动模式的薄的非透明膜放置在一个高精细光学腔。我们研究了辐射压力相互作用如何改变振动模式的力学响应，实验结果与耦合动力学的朗之万方程描述一致。实验是在解析边带机制中进行的，我们观察到冷却因子为350。我们还观察到与腔模频率相对于有效膜位置的扩展中的二次项相关的机械频移，这在其他腔光机设备中通常可以忽略不计。
2012-06-04 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Optomechanical characterization of silicon nitride membrane arrays
我们报告平行微机械膜阵列的光学和机械特性。成对的高拉伸应力、100 nm厚的氮化硅膜彼此平行地组装，间距为8.5至200 $μ$ m。它们的光学性质是准确地确定使用宽带和单色照明的组合和最低的振动模式频率和机械品质因数的干涉测定。所展示的结果和技术是有前途的集体现象的调查光机阵列。
2017-01-17 physics.optics quant-ph
High-reflectivity, high-Q micromechanical membranes via guided resonances for enhanced optomechanical coupling
利用光子晶体（PhC）平板结构中的Fano型导谐振（GR），数值模拟和实验验证了高Q值SiNx薄膜型谐振器在中间膜光学机械（OM）系统中的光学反射率增强。50 nm厚的PhC膜的正入射透射率和机械衰荡测量表明，GR接近1064 nm，导致反射率增加约4 \times，同时保持高达约5 \times 10 ^6的高机械Q因子。这些结果将允许通过增加OM耦合来改进中间OM系统中的膜，从而呈现朝向这种膜的基态冷却的路径和相关量子效应的观测。
2011-10-17 physics.optics quant-ph
Exciton-mediated photothermal cooling in GaAs membranes
最近，我们中的一些人证明了利用激子介导的光热效应冷却GaAs纳米膜的机械运动[K. Usami等人，8，168（2012）]，并且提供了使用热力来冷却机械运动的清楚示例。在这里，我们报告一个单自由参数的理论模型来解释这个实验的结果，非常好地匹配的实验数据。
2012-05-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum measurement backaction from a BEC coupled to a mechanical oscillator
我们从理论上研究了一个由宏观机械膜和旋量玻色-爱因斯坦凝聚体通过一个附着在膜中心的纳米磁体磁耦合组成的混合光机械系统的动力学。我们证明，这种耦合使我们能够间接监测的质量中心的位置，通过测量凝聚原子的自旋的膜。这些测量通常会引起一个显着的反作用的膜运动，我们量化的情况下，膜的热和相干的初始状态。我们讨论了通过重复测量来测量量子反作用的可能性。我们还研究了通过这种重复测量产生膜的非经典状态，特别是薛定谔猫态的潜力。
2011-06-24 quant-ph
Squeezed-light interferometry on a cryogenically-cooled micro-mechanical membrane
光的压缩态在不增加光功率的情况下降低了测量的信号归一化光子计数噪声，并使光和物质混合系统中的量子纠缠的基础研究成为可能。此外，利用低温冷却完成压缩态具有很高的潜力。首先，测量灵敏度通常受到量子噪声和热噪声的限制。其次，压缩态允许在不损失测量精度的情况下减少冷却设备上的热负荷。在这里，我们展示了挤压光位置传感的低温冷却的微机械膜。传感精度提高了高达4.8 dB以下的光子计数噪声，限制在两个法拉第旋转器的光损耗，在膜温度约20K，限制我们的制冷机。证明了在低温迈克耳孙干涉仪中实现高干涉对比度是可行的。我们的设置是对设想的欧洲引力波探测器“爱因斯坦望远镜”的第一个概念性演示，该望远镜计划使用光的压缩态及其镜面测试质量的低温冷却。
2020-08-06 gr-qc physics.optics quant-ph
Direct laser-written optomechanical membranes in fiber Fabry-Perot cavities
本文在光纤法布里-珀罗腔内实现三维激光写入聚合物薄膜的腔光机械耦合，获得约30 kHz真空耦合，并展示低温下超线宽的光机械弹簧调谐及可扩展集成平台。
2024-01-23 physics.optics quant-ph
Mechanical characterization of a membrane with an on-chip loss shield in a cryogenic environment
本工作通过光学干涉探针在 T=18mK 下对带损耗屏蔽的金属化膜进行力学表征，利用频闪技术测得高达 6400 万的机械品质因数，并揭示了连续照明下光吸收导致膜温高于环境的问题。
2025-05-02 physics.app-ph physics.optics quant-ph
An Interferometrically Robust Opto-Mechanical Coupler to Beam Polarisation
在这项工作中，我们研究了一种混合量子系统的工具，该系统实现了一个换能器，将微机械膜的微小位置变化映射到激光束的偏振上。这是通过减少对稳定性的需求的干涉设置来实现的。具体来说，放置在非对称光学腔中间的振荡氮化硅膜引起反射的近共振光场的相移。光束移位器用于将信号光束与模式匹配的正交偏振参考光束组合以进行偏振编码。随后的平衡零差测量用于检测热膜噪声。设计中的微小改进应实现足够高的信噪比，用于在高光-机械耦合强度的范围内检测运动量子噪声。这种设置可以在微机械振荡器和其他系统（如原子系综）之间提供鲁棒的量子链路。
2023-01-11 physics.optics quant-ph
Mechanical Resonators for Quantum Optomechanics Experiments at Room Temperature
迄今为止，所有量子光学力学实验都在低温下进行，这带来了严峻的技术挑战和基本限制。在这里，我们提出了一种新的设计的片上机械谐振器，表现出基本模式的频率$f$和机械品质因数$Q_\mathrm{m}$足以进入光机械量子制度在室温下。我们克服了以前的限制，通过设计高应力氮化硅（Si $_3$ N $_4$）膜，在谐振器的夹具接近材料的最终屈服强度的拉伸应力。通过在SiN膜上图案化光子晶体，我们观察到大于99%的反射率。这些片上谐振器具有非常低的机械耗散，其中$Q_\mathrm{m}$ $\sim$ $10^8$，同时表现出大的反射率。这使它们成为在室温下观察大量量子行为的实验的独特平台。
2016-04-06 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Complex dynamics of nano-mechanical membrane in cavity optomechanics
对悬浮纳米机械膜在光驱动场作用下的光机械谐振腔进行了理论分析，并通过数值模拟得到了证实。在镜之间存在光场的情况下，高精细度光机械谐振器充当由辐射压力驱动的振荡器。辐射压力的周期性使得光机械系统中的纳米机械薄膜成为受激谐振子。在数学上，物理系统显示了一个随机网络图，有助于理解经典相空间中被踢膜的几个性质。我们发现，我们的网络地图是面积保持和显示准周期对称结构的相空间，我们表示为$q$折叠对称。结果表明，在一定的参数，即频率比和踢强度的适当控制下，被踢膜的动力学表现出混沌动力学。利用李雅普诺夫指数和生存概率对系统的稳定性进行了分析。
2016-01-22 nlin.CD physics.comp-ph quant-ph
Robust stationary mechanical squeezing in a kicked quadratic optomechanical system
本文提出了一种在脉冲激光驱动下，在二次耦合光机械系统中产生机械谐振腔稳定压缩态的方案。腔内光子数呈现出周期性的强烈峰值，突然加强了机械谐振器所感受到的有效谐波势。这些“光学弹簧反冲”倾向于挤压谐振器位置，并且由于与波动耗散过程的相互作用，即使从适度“预冷却”的初始热状态开始，也可以产生具有超过13 dB的挤压的静止状态。
2013-09-21 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Optoelectronic cooling of mechanical modes in a semiconductor nanomembrane
机械谐振腔的光腔冷却是近年来的一个研究热点。冷却已实现与金属涂层的硅微杠杆通过光热力，随后与介电物体通过辐射压力。在这里，我们报告腔冷却与晶体半导体膜通过一个新的机制，其中的冷却力产生的光生电子空穴对和机械模式之间的相互作用，通过变形势耦合。光电机制是如此有效，以至于仅用50 uW的光和由标准镜和亚波长厚度的半导体膜本身组成的精细度为10的腔就可以将模式从室温冷却到4 K。用半导体机械谐振器实现的激光冷却窄带声子池可能为光子学和自旋电子学器件开辟一条新的途径。
2010-11-22 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Phononically shielded photonic-crystal mirror membranes for cavity quantum optomechanics
本文提出一种结合二维光子晶体与声子晶体图案的亚波长氮化硅薄膜镜面，在室温下实现高反射率和高机械品质因子，并演示了光力学边带冷却至毫开尔文温度及光学双稳态，为腔量子光力学和量子基态冷却提供了可行平台。
2022-12-23 physics.optics quant-ph
Quantum noise of a Michelson-Sagnac interferometer with translucent mechanical oscillator
光辐射压的量子涨落可以激发机械振子的随机运动，从而实现线性量子光-机耦合。当对振荡器的位置进行精确测量时，这种耦合导致量子辐射压力噪声。到目前为止，尚未观察到这种效应。一般来说，当振荡器的有效质量减小或反射光的功率增大时，辐射压力噪声的强度增大。最近，在室温下具有高机械Q值的极轻SiN膜作为低热噪声机械振荡器引起了人们的注意。然而，这些膜的功率反射率远低于1，这使得使用先进的干涉仪再循环技术来放大标准迈克耳孙干涉仪中的辐射压力噪声是低效的。在这里，我们提出和理论分析的迈克尔逊Sagnac干涉仪，包括作为一个共同的端镜的迈克耳孙干涉仪部分的膜。在这种新的拓扑结构中，即使膜的反射率远低于1，也可以使用功率和信号再循环。特别是，信号再循环是一个有用的工具，因为它不涉及膜上的功率增加。我们推导出的量子辐射的压力噪声和散粒噪声的振荡器位置测量的公式，并比较它们与理论模型的SiN膜的热噪声的基本谐振频率为75 kHz和有效质量为125 ng。我们发现，量子辐射压力噪声应该是可观察到的功率为1 W的中心分束器的干涉仪和膜温度为1 K。
2009-12-16 quant-ph
Cavity-assisted squeezing of a mechanical oscillator
本文研究了光机械系统中振动膜或可动反射镜的压缩态的产生。光学腔由压缩光驱动，并通过辐射压力耦合到膜/镜，有效地为机械振荡器提供压缩热浴。在激光冷却到基态的条件下，我们发现了一种有效的压缩传递，大约60%的光压缩传递到膜/镜（在dB尺度上）。确定了压缩光对载波频率和带宽的要求。在基态冷却条件之外，我们预测在当前系统中可以观察到机械挤压。
2009-04-08 quant-ph
Thermomechanical two-mode squeezing in an ultrahigh $Q$ membrane resonator
我们实现了一个非简并的参量放大器在一个双$Q$机械薄膜谐振器和演示双模热机械噪声压缩。我们的测量准确地描述了一个双模式模型，该模型将这种非线性的机械相互作用归因于基质介导的过程，该过程通过各个模式的品质因数显著增强。在与量子限制光学检测和冷却兼容的机械平台中实现强多模非线性使得这成为用于非线性方法的强大系统，所述非线性方法用于量子精密测量、光学场与声子场之间的转换以及声子自由度的量子操纵。
2014-10-27 physics.atom-ph quant-ph
Laser cooling of a micromechanical membrane to the quantum backaction limit
光的辐射压力可以起到阻尼和冷却机械谐振器的振动运动的作用。在理解这种冷却的量子极限时，必须考虑散粒噪声波动对最终热占据的影响。在腔中的光机械边带冷却中，由腔线宽结合散粒噪声波动定义的有限斯托克斯拉曼散射决定了量子反作用极限，类似于原子激光冷却的多普勒极限。在我们的工作中，我们边带冷却到量子反作用极限，通过使用微机械膜预冷在稀释冰箱。监测光学边带允许我们直接观察机械物体与光浴达到热平衡。
2015-10-13 physics.optics quant-ph
Coherent feedback cooling of a nanomechanical membrane with atomic spins
相干反馈使系统稳定在目标状态，而不需要测量，从而避免了测量所固有的量子反作用。在这里，我们采用光学相干反馈远程冷却纳米机械膜使用原子自旋作为控制器。直接操纵原子使我们能够从强耦合调谐到过阻尼状态。利用我们的系统提供的全相干控制，我们进行自旋膜态交换结合频闪自旋泵冷却膜在室温环境中的${T}={216}\,\mathrm{mK}$（$\bar{n}_{m} = 2.3\times 10^3$声子）在${200}\,\mathrm{μs}$。我们进一步观察和研究延迟反馈对冷却性能的影响。从低温预冷膜开始，这种方法将使机械振荡器冷却到接近其量子力学基态，并制备非经典态。
2022-03-10 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Suspended photonic crystal membranes in AlGaAs heterostructures for integrated multi-element optomechanics
我们提出了高反射率的机械谐振器制作的AlGaAs异质结用于在电信波长制度的自由空间光学腔。机械谐振器制造在GaAs板中，并用光子晶体图案化以增加其面外反射率。机械模式的表征揭示了GaAs器件层中的残余拉伸应力。这种应力导致比未受应力的GaAs更高的机械频率，并且可以用于机械耗散的应变工程。同时，我们发现入射光束的有限束腰导致了反射光谱的下降。该特征源于与光子晶体的引导共振的耦合，这是在设计有限尺寸的板时必须考虑的效应。这里展示的单层和亚$\upmu$ m间距双层板可以直接在同一材料平台上的分布式布拉格反射镜的顶部上制造。该平台为在芯片上实现集成多元件腔光机器件和光机微腔开辟了一条途径。
2020-08-28 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Multimode radiation pressure actuation of a mechanical resonator using a spatial mode sorter
Wyant College of Optical Sciences, University of Arizona（亚利桑那大学怀雅特光学学院）
本文利用空间模式分选器产生的动态光，实现了对纳米机械膜的辐射压力驱动，并展示了多模反馈冷却近简并模式，为量子光力学奠定基础。
2026-09-30 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Mechanically modulated emission spectra and blockade of polaritons
本文研究了一种由半导体材料或半导体薄膜构成的谐振腔组成的光电机械混合系统。腔光子与振荡镜或半导体膜中的激子形成极化激元。相应地，腔光子与反射镜或薄膜之间的光-力相互作用转化为极化激元-力相互作用。在广义行波近似下，我们从理论上研究了这一三元杂化系统的本征能和本征函数。研究表明，极化激元模的发射光谱受到机械谐振器的调制。我们还研究了在弱经典场驱动下，力学效应对极化激元统计特性的影响。本文详细描述了由于参量耦合和三波混频相互作用之间的竞争而产生的极化激元模和声子模的丰富的非线性效应。它还提供了一种操作光子、声子和激子的方法，例如，通过极化激元的精细光谱检测机械谐振器的特性或控制光在集成的偏振-光机平台中的传输。
2018-03-08 quant-ph
Electromagnetically induced transparency and optical memories in an optomechanical system with $N$ membranes
研究了弱探测光场在Febry-Perot腔中的光机械系统中的传播，在该系统中，$N$近似简并的机械膜与腔内光场色散耦合。我们推导出输出探测场的一般解析表达式。我们发现，输出探测场的同相正交可以表现出多重电磁感应透明，最多$N$窄透明窗口。我们发现，在透明窗口处，最多可以用$N$不同的负群速度实现超光速。此外，通过使用一个时间相关的强耦合脉冲，我们数值模拟了一个弱的高斯形探测脉冲的存储和检索的光学腔与两个近简并机械谐振器。
2014-03-06 quant-ph
Improved "Position Squared" Readout of a Mechanical Resonator in an Optical Cavity Using Degenerate Optical Modes
其中柔性SiN膜被放置在光学腔内的光机械装置允许在单个装置中具有非常高的精细度和机械品质因数。它们还提供了全新的功能：腔失谐可以是膜位置的二次函数。这使得能够测量“位置平方”（$x^2$），并且原则上能够读出膜的QND声子数。然而，使用单个横腔模式实现的读出不够灵敏以观察声子Fock态之间的量子跳跃。在这里，我们证明了一个$x^2$的灵敏度，是数量级强，使用两个横向腔模式，几乎退化。我们推导了一阶微扰理论来描述近简并腔模之间的相互作用，并与我们使用现实参数的测量结果取得了很好的一致性。我们还从理论上证明了$x^2$耦合应该很容易在很宽的范围内可调。
2008-11-09 quant-ph
Optomechanical oscillator controlled by variation in its heat bath temperature
提出了一种利用温度相关力产生光机械振荡器低噪声态的方法。我们分析的情况下，量子光机械振荡器（表示为膜）驱动的外力（由活塞产生）。两种系统均嵌入在特定温度$T$下的公共热浴中。活塞施加在膜上的驱动力取决于浴温度。最初，对于$T=T_0$，活塞线性地耦合到膜。然后将浴温可逆地改变为$T\neq T_0$。温度的变化使膜移动，但同时也增加了它的波动。从机械和热力学特性的角度分析了膜的所得平衡态。我们比较了膜的这些特性，并得出它们之间的密切联系。接下来，我们冷却膜的热噪声，使其脱离平衡，仍然与热浴接触。这种冷却保持了具有有效温度$T^\star$的有效正则吉布斯态。在这种情况下，我们研究的平衡量的模拟低噪声的机械状态的膜。
2017-05-10 quant-ph
Effects of quadratic coupling and squeezed vacuum injection in an optomechanical cavity assisted with a Bose-Einstein condensate
从理论上研究了一个由玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）组成的混合系统，该系统被困在一个由激光驱动的中间薄膜光机械腔中，并辅之以压缩真空注入，其移动薄膜与腔中的辐射压力既有线性相互作用又有二次相互作用。结果表明，这样的混合系统是非常适合产生强正交压缩的机械模式的膜和Bogoliubov模式的BEC在未解决的边带制度。更有趣的是，通过选择一个合适的符号的二次光机耦合（QOC），可以实现一个非常高的压缩程度的机械模式和机械和原子模式之间的强纠缠，而无需使用压缩光注入。此外，QOC改变了机械和原子模式的有效振荡频率，并影响它们的弛豫时间。它还可以使系统从光学双稳态切换到三稳态
2018-04-08 quant-ph
