Collective dynamics of multimode circuit optomechanical systems

Abstract

One of the interesting topics in physics is the study of quantum mechanical laws of nature in macroscopic systems. The potential quantum behaviour of macroscopic mechanical resonators has been studied with resonators interacting with an electromagnetic cavity mode. In this work we study a multimode system where two micromechanical drums are each coupled to a microwave on-chip cavity. This kind of system, using two micromechanical beams with nearly equal frequencies, has been previously shown to exhibit in strong coupling regime a dark mode which gets asymptotically decoupled from the cavity and has a linewidth much smaller than that of the bare cavity. The long lifetime of the dark mode could be used in the storing and retrieving of quantum information by transferring optical or microwave energy to the dark mode.

Motivated by this goal, we present a novel microwave optomechanical system with two mechanical resonators with eigenfrequencies not close to each other, Omegam1/2pi = 8.11 MHz and Omegam2/2pi = 14.17 MHz and show that this system exhibits a dark mode in the strong coupling regime. Although the mechanical frequencies are intrinsically different, we show how to bring them and the cavity on-resonance and thus creating a dark mode by double sideband pumping of the cavity. The set-up allows to individually control the different mechanical modes and could be used in the studies and creation of entangled states between the different mechanical modes.

Makroskooppisten kappaleiden kvanttifysikaalisien ominaisuuksien tutkiminen on eräs fysiikan mielenkiintoisimpia tutkimuskohteita. Mikromekaanisien värähteli- jöiden mahdollisia kvanttifysiikan ilmiöitä on viime aikoina tutkittu kytkemällä värähtelijä mikroaaltokavitettiin. Tässä työssä tutkimme useamman moodin op- tomekaanista systeemiä, jossa kaksi mikromekaanista rumpukalvoa on kytketty mikroaaltokaviteettiin. Vahvan kytkennän alueella tällaisen systeemin, jossa me- kaanisten värähtelyiden ominaistaajuudet ovat lähes samat, on aiemmin osoitettu muodostavan pimeän moodin, joka ei vuorovaikuta kaviteetin kanssa, ja jonka viivanleveys on paljon kaviteetin viivanleveyttä pienempi. Pimeän moodin pitkää elinaikaa voitaisiin hyödyntää kvantti-informaation tallentamisessa ja lukemisessa siirtämällä optisen tai mikroaaltosignaalin informaatio pimeään moodiin.

Tässä työssä luomme uudenlaisen mikroaalto-optomekaanisen systeemin, jon- ka kahden mekaanisen värähtelijän ominaistaajuudet eivät ole lähellä toisiaan, Omegam1/2pi = 8.11 MHz and Omegam2/2pi = 14.17 MHz, ja näytämme, että tällainen sys- teemi muodostaa pimeän moodin vahvan kytkennän alueella. Vaikka mekaanisten moodien taajuudet ovat erisuuruiset, näytämme kuinka ne voidaan kytkeä ka- viteetin kanssa resonanssiin, ja luoda pimeän moodin pumppaamalla molempia mekaanisia värätelijöitä kaviteetin sivunauhapumppaamisella. Tällainen systeemi mahdollistaa mekaanisten värähtelijöiden yksittäisen kontrolloimisen ja systeemiä voitaisiin hyödyntää mekaanisten värähtelijöiden välisen lomittumisen tutkimiseen.