封面｜腔光力系统中机械振子的参量压缩

《量子电子学报》 2020年第一期封面文章：

Shen Chengyu, Mao Tianhua, Gong Zhicheng, Yuan Quan, FU Hao, Cao Gengyu.Parametric squeezing of mechanical resonator in an optomechanical system [J].Chinese Journal of Quantum Electronics, 2020, 37(1): 29-33.

微纳机械振子以其优异的力学性质在精密测量领域得到广泛的应用。通过与其他物理系统的耦合，机械振子可以测量许多物理量。针对不同应用需求，机械振子振动信号的读出方法大体上可以分为电学读出和光学读出。其中，光学读出手段由于很好地避免环境电磁噪声的影响，能够实现高灵敏度测量，因而在振动信号读出方面受到了广泛应用。在激光干涉测量中已经可以实现1×10^-22m的光学测量精度。在高精度的测量中，机械振子测量的灵敏度受到系统噪声的限制，包括热噪声、测量仪器的噪声等。通常在光学测量情况下，热噪声是限制机械振子灵敏度的主导噪声。为了抑制机械振子的热噪声，提出了通过冷却降低系统有效温度的方法。在采用调制机械振子振动幅度或者振动频率来进行测量时，只需要将测量分量上的噪声降低即可达到提高精度的目的。

早在2000年，帝国理工大学的研究小组就提出了利用连续波驱动来压缩机械振子振动涨落的理论。在20 mK的初始温度下，通过电学方法给微纳机械振子施加振动频率两倍频的驱动，可以实现机械振子的振动压缩，同时提出这种方法具有制备机械振子量子压缩态的能力。进一步研究表明这种连续波驱动的压缩在压缩过程中会遇到非稳态问题，当压缩达到一定程度时，再增大调制幅度，便会导致系统不稳定，这导致参量压缩存在3 dB极限。为了突破3 dB极限，在理论上提出了很多新的方案，例如使用压缩光对系统进行驱动，或者通过主动反馈的闭环控制来提高系统稳定，从而增大压缩率。同时，实验上演示了一些超过3 dB极限的压缩。但是这些方法具有一些苛刻的要求，在一些实际应用中难以满足，如磁力显微镜等。

为了突破机械振子振动参量压缩的3 dB极限，中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室曹更玉研究团队在腔光力系统中通过调制激光光强实现了微悬臂梁的振动压缩。这种通过光学方法施加参量调制达到压缩的技术可以用于提高微纳机械振子的力学测量灵敏度。论文发表在《量子电子学报》2020年第一期。

该论文成功在腔光力系统中实现了微悬臂的参量压缩，并通过反馈突破了参量压缩的3 dB极限。通过采用锁频回路得到微悬臂的振动频率，根据该频率对囚禁激光强度进行两倍频调制，实现了对微悬臂的参量驱动。在此基础上，根据微悬臂各分量振动信号进一步制备出反馈信号，并施加给压电陶瓷片对微悬臂进行驱动，成功地达到了利用反馈增强系统稳定性的目标。通过对微悬臂振动进行测量，获得相空间中两个振动分量上的方差，结果表明最大压缩量达到了4.4 dB。这种通过光学方法施加参量调制达到压缩的技术可以用于提高微纳机械振子的力学测量灵敏度。