Multimode radiation pressure actuation of a mechanical resonator using a spatial mode sorter

光学物理学の静かな世界において、光はしばしば、触れた物体に関する情報を運ぶ使者として扱われます。光線が振動する物体に当たると、散乱された光は物体の運動を明らかにする方法で変化します。これは、医療用画像診断から遠く離れた惑星の検出に至るまで、あらゆるものに応用されている原理です。しかし、この相互作用は双方向です。運動が光を変化させるのと同様に、光もまた物体に対して「放射圧」として知られる微小な物理的な押し力を及ぼします。科学者たちは、運動がいかに光を変化させるかを長年測定できてきましたが、光を用いて、より大きく広がった物体を精密に押し、制御することは、依然として困難な課題であり続けてきました。その力は極めて弱く、複雑な物体の場合、全体に影響を与えることなく、表面の特定の部位にその押し力を向けることが難しいためです。

アリゾナ大学の研究チームは、この微細な力を活用する新しい方法を実証しました。彼らは、特別に成形された光線を用いて、窒化シリコン製の小さな正方形のメンブレン（膜）の振動を押し、制御することに成功しました。光を複雑なパターンに成形し、そのパターンを急速に変化させることで、彼らはメンブレンの特定の振動を励起し、さらにはその運動を冷却することさえできました。この研究は、機械的な運動を測定することと、それを能動的に制御することの間の溝を埋めるものであり、光と物質の間の繊細なダンスに依存する、より高度なテクノロジーへの道を切り開くものです。

実験の中心となったのは、一辺が2.5ミリメートル、厚さがわずか90ナノメートルの窒化シリコン製の微小なメンブレンでした。肉眼ではこのシートは固形物に見えますが、顕微鏡下では、さまざまなパターンで振動することができるドラムの膜のように振る舞います。研究者たちは、このドラムの膜を特定の振動へと押し込むために光を使えるかどうかを検証したいと考えました。これを行うために、彼らはレーザービームを取り込み、異なる空間的な形状、すなわちパターンへと分割できる「空間モードデマルチプレクサ」と呼ばれる装置を使用しました。彼らは、明るい点と暗い点の格子のように見える「エルミート・ガウスモード」として知られる特定の光パターンのセットを用いることにしました。

この発見の核心は、これらの光パターンがメンブレンとどのように相互作用するかという点にあります。研究者が単一の単純な光のスポットをメンブレンに照射したとき、その結果としての押し力は、そのスポット全体で均一でした。しかし、二つの異なる光パターンを組み合わせ、その間の位相を変化させると、移動する干渉パターンが作成されました。池に広がる二つの波が重なり合い、そこで新しい、変化し続けるパターンが生じる様子を想像してください。研究者たちは光でこれと同様のことを行いました。二つの光モード間の相対的な位相を変調することで、メンブレン上を前後に移動する放射圧パターンを作り出したのです。

この移動する圧力は、ブランコを押す手のようでした。もし光のパターンが適切な速度で動けば、メンブレンを特定の振動へと押し込むことができます。チームは、基本的な光のスポットとより複雑な形状を組み合わせることでこれをテストしました。その結果、生じる力は光がメンブレンのどこに当たっているかに完全に依存することがわかりました。例えば、二つの特定の光モードを組み合わせると、メンブレンを横方向に押す圧力パターンが生成され、別の組み合わせでは上下方向に押すことができました。これらの光パターンをメンブレンの表面にスキャンすることで、彼らはメンブレンがどのように反応するかを正確にマッピングすることができました。その結果、使用した光の形状に応じて、チェッカーボード状やフィギュアエイト（8の字）状に見えるような、異なる振動モードを光が選択的に励起できることを示す詳細な図が得られました。

この研究における最も重要な成果は、この制御を用いてメンブレンの運動を冷却することでした。すべての物体は室温において熱によって振動しており、これらの微小な振動は、精密な測定を妨げる可能性のあるノイズの源となります。研究者たちは、この熱ノイズを阻止したいと考えました。彼らは、メンブレンの動きを測定し、その直後に光の位相を調整してその動きに対して押し返す、いわば「ブレーキ」として機能させるフィードバックループを構築しました。光を特定の振動パターンにターゲットするように成形できたため、彼らは二つの、ほぼ同一の振動を同時に冷却することができました。これら二つの振動は、周波数が263 kHz付近で非常に近いため、通常は互いに干渉し合い、個別に制御することを困難にします。これらのモードのデチューニング（周波数ずれ）は約30 Hzです。

二つの異なる光モードのペアを使用することで、チームはこれら二つの振動を区別することができました。一方の光モードのペアは第一の振動に敏感であり、もう一方のペアは第二の振動に敏感でした。彼らは各ペアにフィードバック信号を適用し、それぞれの振動の動きを独立して減速させました。データによれば、これらの振動のエネルギーを約10デシベル減少させることができ、これは熱ノイズの著しい低減を意味します。二つの異なるモードを同時に冷却することは、オプトメカニクス（光力学）の分野において困難な課題であり、二つの方法で成形された単一の光ビームを用いてこれを達成したことは、新たなレベルの精密さを示しています。

この研究の意義は、単一のメンブレンを冷却することにとどまりません。構造化された光を用いて物体の特定の部分を押し引きできる能力は、機械システムを操作するための新しい方法を示唆しています。研究者たちは、この技術が空中に浮遊しているものを含む、他の機械システムにも適用できる可能性があると指摘しています。もし同じ原理をスケールアップできれば、複数の物体を、量子コンピューティングや超高感度な力検出に不可欠な条件である「基底状態」と呼ばれる、最低限のエネルギー状態まで冷却することが可能になるかもしれません。また、この研究は、コルク抜きのように回転する形状の光を用いて、機械的な物体を回転させる回転力を生み出す可能性についても示唆しています。

実験の成功は、窒化シリコンメンブレンの高い品質と、光成形デバイスの精密さに支えられていました。メンブレンは、空気抵抗を取り除いて自由に振動できるように、高真空チャンバー内に配置されました。光源は波長1550ナノメートルのレーザーであり、メンブレンの加熱を避けるために光の強度は低く保たれました。研究者たちは電動ステージを使用して光ビームをメンブレン上に移動させ、放射圧の応答マップを作成しました。このマップにより、光によって及ぼされる力が、光の形状およびメンブレン上の位置に直接関係していることが確認されました。

この研究は、光の量子特性を用いて機械的な運動を制御することを目的とする、量子オプトメカニクスの分野における一歩となります。放射圧を用いて機械的共振器の特定のモードを選択的に駆動し、冷却できることを実証することで、研究者たちは科学者に新しいツールを提供しました。複数のモードを同時に制御できる能力は、複雑な量子状態を準備するために不可欠な要件です。現在の実験は比較的大きなメンブレンで行われましたが、ここで示された原理は、より小さく複雑なシステムにも適用可能です。研究者たちは、将来的な光成形技術の発展により、さらに精密な制御が可能になり、力顕微鏡術や微粒子操作における新たな応用につながる可能性があると考えています。

本研究は、国立科学財団（NSF）および海軍研究局（ONR）の支援を受けており、将来の技術進歩における本研究の重要性を強調しています。チームは、メンブレンの作製やエンジニアリング面のサポートを提供した同僚たちの貢献に謝意を表しています。彼らの成果は、光を適切な方法で成形することにより、これまで到達不可能であった精度で物理的世界を押し、引くことができるという明確な実証となっています。技術が成熟するにつれ、それが光と物質の境界領域で働く科学者たちの標準的なツールとなり、量子領域における新たな発見を可能にすることが期待されます。