室温环境下的腔光力冷却研究

Cavity optomechanics studies the interaction between the high-Q optical mode and the mechanical resonators. On the one hand, it enables high-precision control of the mechanical motion, such as the cooling and amplification of the mechanical oscillation; on the other hand, when the mechanical resonator is cooled to the quantum ground state, it offers an excellent platform for the study of macroscopic quantum phenomenon. Optomechanical systems are also capable of storing information, and they are the interfaces to construct hybrid optical-electronic-spintronic devices. One of major obstacles for the application of cavity optomechanics on high-precision measurement, fundamental physics and quantum interaction interface is the environmental thermal noise. This project aims to study cavity optomechanical cooling at room temperature, i.e., cooling the macroscopic/mesoscopic mechanical resonators close to their quantum ground state with cavity optomechanical interaction. For this purpose, we will theoretically analyze the physical limiting factors of cavity optomechanical cooling in three coupling regions, build up the unified framework for describing the cooling characteristics in different coupling regions, and accordingly propose new mechanism and new scheme for ground state cooling at room temperature. Finally, we will carry out the experimental study in ultrahigh-Q whispering-gallery microcavity system to provide preliminary experimental verification. Once succeed, the developed mechanism and scheme will greatly promote the development of the field of cavity optomechanics, and laid a solid foundation for the practical applications.

利用高品质因子腔模光场与机械振子相互作用，一方面，人们能够对机械振子的运动进行精确操控，例如机械振动的冷却与放大；另一方面，当机械振子冷却到量子基态，该体系为宏观量子物理研究提供了一个极佳的实验平台。腔光力系统还可以存储信息，以及作为新型界面，用于构建光-电-自旋复合量子器件。腔光力学应用于高精密测量、基础物理和量子相互作用界面的主要障碍之一是环境热噪声。本项目拟在室温环境下研究腔光力冷却，利用腔光力相互作用将宏观/介观机械振子冷却至其量子基态附近。为此，我们的研究重点将是从理论上分析不同耦合区间的腔光力冷却的物理限制因素；建立描述各个耦合区间冷却特性的统一理论框架，并据此有针对性地提出室温基态冷却的新机制和新方案；最终在芯片上超高品质因子回音壁模式光学微腔体系中开展初步实验研究。一旦突破，发展的室温冷却机制和方案将有力的推动腔光力学的进一步发展，为其实际应用奠定坚实基础。

利用高品质因子腔模光场与机械振子相互作用，一方面，人们能够对机械振子的运动进行精确操控，例如机械振动的冷却与放大；另一方面，当机械振子冷却到量子基态，该体系为宏观量子物理研究提供了一个极佳的平台。腔光力系统还可以存储信息，以及作为新型界面，用于构建光-电-自旋复合量子器件。腔光力学应用于高精密测量、基础物理和量子相互作用界面的主要障碍之一是环境热噪声。本项目拟在室温环境下研究腔光力冷却及相关的微腔光学物理。通过4年努力，项目取得了一系列创新性研究成果，发表受基金标注的研究论文32篇，其中Science 1 篇，PRL 2篇，Nature Photonics 1篇，Physical Review系列12篇等。主要成果如下：..(A) 通过分析中间耦合区的腔光力冷却极限，解析得到了最优的冷却极限，以及对应的腔膜耗散和耦合强度，使基态冷却可以对处于室温下的机械振子实现；(B) 提出光力诱导透明冷却方案，利用辅助机械模式的干涉效应，突破了光学模式和单一机械模式耦合下机械边带不可分辨的限制，实现了边带不可分的机械振子的基态冷却；(C) 通过光力体系与冷原子团的相互作用，实现了边带不可分的机械振子的基态冷却，为低频机械振子的冷却提供了新思路；(D) 通过辅助微腔带来的量子干涉效应，在高度边带不可分辨的区域实现了量子基态冷却。..系列研究建立了有效的光力量子接口，提供了在边带不可分辨区对介观机械系统进行量子操作的平台。成果被Phys.org和AAPPS Bulletin等多家国际科技媒体专题图文报道。