腔光力系统中相干声子操控的实验研究

发布时间：2020-06-02 19:17

【摘要】：微纳机械振子可以与不同的物理系统产生相互作用,将不同的物理量转换为机械振子的振动(声子),控制声子在机械振动模式间的传递可以实现信息在不同物理系统间的交互。除此之外,通过对机械振子的相干声子操控,人们有望在宏观物体上观测到声子叠加态等量子现象。因此,研究微纳机械振子中的相干声子传递,是一件非常有意义的事。近年来,随着微加工技术的不断提升,机械振子的品质因子不断提高,甚至于光场与机械振子的微弱相互作用都能影响振子的振动。在本篇博士论文里,我们在两个耦合微悬臂梁的两模光力系统中开展了相干声子操控的实验研究。实验表明,这样的一个两模光力系统与量子二能级系统有着一定的相似性。我们借鉴量子系统中发展的一些操控方法,重点研究了强驱动条件下的相干声子操控。通过这些方法,我们实现了声子在耦合微悬臂梁上的相干传递。主要研究内容如下:1.可调谐的两模腔光力系统。我们通过两个耦合的微悬臂梁搭建了一套有着强色散光力耦合作用的中间薄膜型腔光力系统。悬臂梁的振动模式由于结构应力的存在而杂化形成两个正交振动模式。通过改变因禁光功率,我们改变了正交模式在微悬臂梁间的分布,当两个悬臂的振动频率相同时,我们观察到了两个正交模式的免交叉现象。2.光学调控正交模式劈裂。在可调谐两模腔光力系统中,我们在弱驱动条件下研究了两个正交模式间劈裂的关系。通过改变驱动强度,我们可以改变参量耦合的强度,实现声子以不同的速率在两个正交模式间传递。3.两模腔光力系统中的类Landau-Zener隧穿。我们在两模系统中,以不同的速率改变囚禁光功率,使系统以不同的速度穿过免交叉点,实现了声子的Landau-Zener隧穿。在重复两次隧穿过程中,改变系统在两次穿过免交叉点间的演化时间,我们观测到了声子的Stuckelberg干涉。利声子的Stuckelberg干涉仪,我们实现了两模系统中斯托克斯相位的测量。随后,我们研究了周期性的Landau-Zener隧穿。实验表明,在特定条件下,声子间会发生相干相消隧穿,被束缚在微悬臂梁上而不发生传递。通过改变驱动条件,我们在系统免交叉点处构造了一个全范围耦合强度可调的相干光力开关。4.声子的Stuckelberg几何干涉仪。我们利用两个参量耦合的机械模式构造声子的Stuckelberg几何干涉仪。我们调节驱动场使其在参量空间的演化形成了一个闭合回路。我们证明了在两个Landau-Zener隧穿点之间,振子的振动态可以对有效场在布洛赫球上的演化实现绝热跟随。通过改变往返隧穿过程中系统态矢演化路径在布洛赫球上所对应的空间立体角,我们实现了对系统几何相位的操控。为了实现纯几何相位的相干声子操控,我们利用向旋回波的技术来消除隧穿过程中的动力学相。最后我们对驱动场施加不同带宽的白噪声,实验证明了儿何相位操控相较于动力学操控方法确实具有更强的抗噪性。
【图文】：

振子,光场,自旋系统,电场耦合

多个机械振子同时与待测系统耦合，相当于同时对系统进行了多次测量，因此可逡逑以降低系统中的噪声，提高测量的信噪比。例如，在２００４年，密歇根大学的逡逑Ｓｅｕｎｇｂａｅ邋Ｌｅｅ等人就利用微机械振子阵列来降低测量过程中的相位噪声［图１．２］，逡逑相比于单机械振子测量，其测量过程中的相位噪声降低了邋２４ｄＢ［４Ｇ］。逡逑ＢＩ\b秦娭４昼邋＾邋Ｉ邋ｉ逡逑－逦－逦－？逦，＇－邋－ｉ邋？－－－？■＇■？■ｗ＊－逦逦逦逦邋－邋■逦．邋－邋－邋－－．—邋－邋－－邋－邋＿逦＊？＇逦．‘，逡逑？逦）逦：邋？？邋＾邋锋，二…．．．．．；逡逑图１．２邋—种微纳机械振子阵列［４（）］逡逑２逡逑

振子,阵列

＇邋ＲＦ逡逑图１．１微纳机械振子与其他物理场耦合逡逑（ａ）机械振子与自旋系统耦合ｐ４１，（ｂ）机械振子与光场光场以及电场耦合［３５１。逡逑此外，人们还提出了利用微纳机械振子阵列提高测量精度的方法［３９］。由于逡逑多个机械振子同时与待测系统耦合，相当于同时对系统进行了多次测量，因此可逡逑以降低系统中的噪声，，提高测量的信噪比。例如，在２００４年，密歇根大学的逡逑Ｓｅｕｎｇｂａｅ邋Ｌｅｅ等人就利用微机械振子阵列来降低测量过程中的相位噪声［图１．２］，逡逑相比于单机械振子测量，其测量过程中的相位噪声降低了邋２４ｄＢ［４Ｇ］。逡逑ＢＩ\b秦娭４昼邋＾邋Ｉ邋ｉ逡逑－逦－逦－？逦，＇－邋－ｉ邋？－－－？■＇■？■ｗ＊－逦逦逦逦邋－邋■逦．邋－邋－邋－－．—邋－邋－－邋－邋＿逦＊？＇逦．‘
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74

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