双光腔光力系统中机械振子基态冷却问题的研究

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机械振子的基态冷却是腔量子光力学中的基本问题之一。标准的光力系统由一个量子光腔与一个机械振子构成,二者通过光压耦合。所谓的基态冷却就是让机械振子的稳态声子数小于一。目前最重要的基态冷却理论是可分辨边带冷却理论,该理论指出机械振子的稳态声子数由光腔施加给机械振子的光压力的涨落谱决定,其中涨落谱正频的谱值决定冷却跃迁而负频的谱值决定加热跃迁,实现基态冷却需要正频的谱值较大而负频的谱值较小。在标准的光力系统中,该涨落谱是一单峰洛伦兹谱,谱的宽度等于光腔的耗散系数,当光腔的耗散系数远大于机械振子的频率时,洛伦兹谱很宽,使得正负频的谱值差异不会很大,于是无法实现基态冷却。换言之,在标准的光力系统中,边带可分辨条件(即光腔耗散系数远小于机械振子频率)是实现基态冷却的必要条件。本文研究双光腔光力系统,引入第二个量子光腔与标准光力系统中的第一个光腔直接耦合,由此可以调控第一个光腔的性质。一方面,在边带不可分辨的条件下(即第一个光腔的耗散系数远大于机械振子频率),利用双光腔系统的类电磁感应透明效应,可以调整第一个光腔施加在机械振子上的光压力的涨落谱,使得原本很宽的单峰洛伦兹谱变成具有两个较窄的峰和一个较低的谷的类电磁感应透明谱。在新的谱中,较窄的峰可以用来加强冷却跃迁,而较低的谷可以用来有效抑制加热跃迁。利用率方程方法可以求出稳态声子数解析式,结果表明,即便在边带不可分辨条件下,仍可以利用双光腔系统的类电磁感应透明来实现机械振子的基态冷却。另一方面,可分辨边带冷却理论虽然指出光腔耗散系数远小于机械振子频率是标准光力系统实现基态冷却的必要条件,但并未指明光腔耗散系数小至何程度会使冷却达到最优。本文利用朗之万方程理论借助数值计算在边带可分辨条件范围内找到了该最优条件,并通过理论分析给出了其物理解释,该最优条件与第一个光腔的耗散系数以及有效光力耦合系数有关。此外,还可以利用双光腔光力系统中的第二个光腔来等效调控第一个光腔的耗散系数。
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