复合腔光力系统中机械振子的基态冷却研究

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随着纳米加工技术的发展,腔光力系统的制备和研究取得了重大突破。腔光力系统在生物传感、机械位移、引力波和质量的高精度测量中发挥着重要的作用。另一方面,腔光力系统是验证量子力学基本原理和研究介观量子动力学性质的理想平台。机械振子的基态冷却作为腔光力系统中的关键问题,是在量子区域观察其量子行为的前提条件。因此机械振子的基态冷却成为一个重要的研究课题。目前已知的冷却理论和实现的冷却方案多集中在边带可分辨区域。这对实验条件的要求比较苛刻。另外由于环境热噪声的影响,机械振子在冷却过程中无法避免环境加热的干扰,因此机械振子的冷却极限并没有降到很低。基于上述考虑,本文集中在边带不可分辨区域,提出两种快速基态冷却方案。研究了复合双腔光力系统的机械振子的基态冷却。原子系综、辅助腔同时耦合到相同的光学腔,形成了双量子破坏性干涉通道。这导致光力噪声谱呈现类电磁诱导透明(EIT)线型,也就是斯托克斯加热速率和反斯托克斯冷却速率不对称。通过分析光学模哈密顿量,推导出了系统新的简正模频率。通过调节光力噪声谱的峰谷位置,使系统的净冷却率达到最大,从而得到基态冷却的最佳参数。根据费米黄金法则,给出了稳态下平均声子数的解析表达式。最后详细分析了系统相关参数对机械振子冷却极限的影响。结果表明,该方案可以在边带不可分辨区实现机械振子的基态冷却,这为多量子体系下的基态冷却提供了新思路。研究了宇称时间(PT)对称双腔光力系统中的腔内压缩冷却。该方案在物理模型上利用了PT对称腔光力系统的能量局域化效应,极大的加快了机械振子的冷却速率。另外采用泵浦光驱动腔内的光学参量放大器,腔场内形成了强烈的压缩效应。通过分析其光力噪声谱,结果显示其波谷的值等于零,即完全抑制了量子反作用加热。因此这种方案进一步降低了冷却极限。另外给出了冷却的最优条件和泵浦光的最优参数。最后,通过调控系统参数,当边带远不可分辨时,也能实现机械振子的基态冷却。该方案对研究宏观机械振子的量子操控具有重要意义。
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