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

광학 물리학의 정적인 세계에서, 빛은 종종 물체에 닿는 정보를 전달하는 메신저로 취급됩니다. 빛의 빔이 진동하는 물체에 부딪히면, 산란된 빛은 물체의 운동을 드러내는 방식으로 변화하며, 이 원리는 의료 영상부터 먼 행성을 탐지하는 것에 이르기까지 모든 분야에서 사용됩니다. 그러나 이 상호작용은 양방향으로 작용합니다. 운동이 빛을 변화시키는 것처럼, 빛 또한 물체에 아주 미세한 물리적 밀기(push)를 가하는데, 이 힘을 복사압(radiation pressure)이라고 합니다. 과학자들이 운동이 빛을 어떻게 변화시키는지 측정하는 데는 오랫동안 성공해 왔지만, 빛을 사용하여 더 크고 확장된 물체의 운동을 정밀하게 밀고 제어하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있었습니다. 그 힘은 믿을 수 없을 정도로 약하며, 복잡한 물체의 경우 전체에 영향을 주지 않으면서 표면의 특정 부분에만 그 밀기를 유도하는 것이 어렵기 때문입니다.

애리조나 대학교의 연구팀은 이제 이 미묘한 힘을 활용하는 새로운 방법을 입증했습니다. 그들은 특수하게 제작된 형태의 빛의 빔을 사용하여 실리콘 나이트라이드로 만들어진 작은 정사각형 막의 진동을 밀고 제어하는 데 성공했습니다. 빛을 복잡한 패턴으로 형상화한 다음 그 패턴을 빠르게 변화시킴으로써, 연구진은 막의 특정 진동을 유도하고 심지어 그 운동을 냉각시킬 수도 있었습니다. 이 연구는 기계적 운동을 측정하는 것과 이를 능동적으로 제어하는 것 사이의 간극을 메우며, 빛과 물질 사이의 섬세한 춤에 의존하는 더 진보된 기술을 향한 길을 열어줍니다.

실험은 각각 2.5밀리미터의 변과 90나노미터의 두께를 가진 실리콘 나이트라이드 사각형 시트인 미세한 막을 중심으로 진행되었습니다. 육안으로는 이 시트가 고체처럼 보이지만, 현미경 아래에서는 여러 가지 패턴으로 진동할 수 있는 드럼 헤드처럼 행동합니다. 연구진은 이 드럼 헤드를 특정 진동으로 밀어낼 수 있는지 확인하고자 했습니다. 이를 위해 그들은 레이저 빔을 다양한 공간적 모양이나 패턴으로 나눌 수 있는 공간 모드 역다중화기(spatial mode demultiplexer)라는 장치를 사용했습니다. 그들은 밝고 어두운 점들의 격자 형태를 띠는 헤르미트-가우스(Hermite-Gauss) 모드라고 알려진 특정 빛 패턴 세트를 선택하여 작업했습니다.

발견의 핵심은 이러한 빛 패턴이 막과 어떻게 상호작용하는지에 있습니다. 연구진이 단순한 단일 점 형태의 빛을 막에 비추었을 때, 발생하는 밀기는 그 지점에서 균일했습니다. 그러나 두 가지 서로 다른 빛 패턴을 결합하고 그 사이의 위상(phase)을 변화시켰을 때, 그들은 움직이는 간섭 패턴을 만들어냈습니다. 연못에 생기는 두 개의 물결이 겹치는 모습을 상상해 보십시오. 그들이 만나는 곳에는 새로운, 변화하는 패턴이 생성됩니다. 연구진은 빛을 가지고 이와 유사한 작업을 수행했습니다. 두 가지 빛 모드 사이의 상대적 위상을 조절함으로써, 그들은 막 위를 앞뒤로 움직이는 복사압 패턴을 만들어냈습니다.

이 움직이는 압력은 마치 그네를 미는 손과 같이 작용했습니다. 만약 빛의 패턴이 적절한 속도로 움직인다면, 그것은 막을 특정 진동으로 밀어 넣을 수 있었습니다. 연구진은 기본적인 빛 점과 더 복잡한 형태들을 결합하여 이를 테스트했습니다. 그들은 결과적인 힘이 빛이 막의 어디를 치느냐에 전적으로 달려 있다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 두 가지 특정 빛 모드를 결합하면 막을 옆으로 미는 압력 패턴이 생성되는 반면, 다른 조합은 막을 위아래로 밀었습니다. 이러한 빛 패턴을 막의 표면을 따라 스캔함으로써, 그들은 빛의 모양에 따라 막이 어떻게 반응하는지를 정확하게 지도화할 수 있었습니다. 그 결과, 빛의 모양에 따라 체커보드나 숫자 '8' 모양처럼 보이는 진동 모드를 선택적으로 흥분시킬 수 있음을 보여주는 상세한 그림을 얻었습니다.

이 연구의 가장 중요한 성과는 이 제어를 사용하여 막의 운동을 냉각하는 것이었습니다. 모든 물체는 상온에서 열 때문에 진동하며, 이러한 미세한 진동은 민감한 측정에 방해가 될 수 있는 노이즈의 원인이 됩니다. 연구진은 이 열적 노이즈를 멈추고자 했습니다. 그들은 막의 움직임을 측정하고 즉각적으로 빛의 위상을 조절하여 그 움직임에 맞서 밀어내도록 하는 피드백 루프를 설정했는데, 이는 마치 브레이크 역할을 하는 것과 같습니다. 빛을 특정 진동 패턴에 맞게 형상화할 수 있었기 때문에, 그들은 거의 동일한 두 가지 진동을 동시에 냉각할 수 있었습니다. 263kHz 근처의 주파수에서 발생하는 이 두 진동은 음정이 너무 가까워 보통 서로 간섭을 일으키며, 이로 인해 개별 제어가 어렵습니다. 이 모드들의 디튜닝(detuning)은 약 30Hz입니다.

두 가지 서로 다른 빛 모드 쌍을 사용함으로써, 팀은 두 진동을 구별할 수 있었습니다. 한 쌍의 빛 모드는 첫 번째 진동에 민감했고, 다른 한 쌍은 두 번째 진동에 민감했습니다. 그들은 각 쌍에 피드백 신호를 적용하여 각 진동의 운동을 독립적으로 늦추었습니다. 데이터에 따르면, 그들은 이 진동들의 에너지를 약 10데시벨 감소시킬 수 있었으며, 이는 열적 노이즈의 상당한 감소를 의미합니다. 이처럼 두 개의 별개 모드를 동시에 냉각하는 것은 광기계(optomechanics) 분야에서 매우 어려운 과제이며, 두 가지 방식으로 형상화된 단일 빔으로 이를 달성했다는 것은 새로운 수준의 정밀도를 보여줍니다.

이 작업의 영향은 단순히 하나의 막을 냉각하는 것을 넘어섭니다. 구조화된 빛을 사용하여 물체의 특정 부분을 밀고 당길 수 있다는 능력은 기계 시스템을 조작하는 새로운 방법을 시사합니다. 연구진은 이 기술이 공중에 떠 있는(levitated) 물체를 포함한 다른 기계 시스템에도 적용될 수 있다고 언급했습니다. 만약 동일한 원리가 규모를 키울 수 있다면, 여러 물체를 가장 낮은 에너지 상태인 바닥 상태(ground state)로 냉각하는 것이 가능할 수 있으며, 이는 양자 컴퓨팅과 초정밀 힘 탐지에 필수적입니다. 또한 이 연구는 코르크 마개처럼 회전하는 빛의 형태를 사용하여 기계적 물체를 회전시키는 힘을 만드는 가능성도 암시합니다.

실험의 성공은 실리콘 나이트라이드 막의 높은 품질과 빛 형상화 장치의 정밀함에 달려 있었습니다. 막은 공기 저항을 제거하여 자유롭게 진동할 수 있도록 고진공 챔버 안에 배치되었습니다. 광원은 1550나노미터 파장의 레이저였으며, 막을 가열하는 것을 피하기 위해 빛의 세기는 낮게 유지되었습니다. 연구진은 모터가 달린 스테이지를 사용하여 막 위로 빛의 빔을 이동시켜 복사압 반응의 지도를 만들었습니다. 이 지도는 빛이 가하는 힘가 막의 위치 및 빛의 모양과 직접적으로 관련되어 있음을 확인해주었습니다.

이 작업은 빛의 양자적 특성을 사용하여 기계적 운동을 제어하는 것을 목표로 하는 양자 광기계 분야의 진전을 의미합니다. 복사압을 사용하여 기계적 공진기의 특정 모드를 선택적으로 작동시키고 냉각할 수 있음을 입증함으로써, 연구진은 과학자들에게 새로운 도구를 제공했습니다. 여러 모드를 동시에 제어할 수 있는 능력은 복잡한 양자 상태를 준비하는 데 필요한 핵심 요구 사항입니다. 현재의 실험은 상대적으로 큰 막을 대상으로 수행되었지만, 여기서 입증된 원리는 더 작고 복잡한 시스템에도 적용 가능합니다. 연구진은 향후 빛 형상화 기술의 발전이 더욱 정밀한 제어를 가능하게 하여, 힘 현미경 및 미립자 조작과 같은 새로운 응용 분야로 이어질 수 있다고 제안합니다.

이 연구는 국립과학재단(NSF)과 해군연구소(ONR)의 지원을 받았으며, 이는 미래 기술 발전에 있어 이 연구의 중요성을 강조합니다. 연구팀은 막을 제작하고 엔지니어링 지원을 제공한 동료들에게 감사를 표했습니다. 그들의 연구는 빛을 올바른 방식으로 형상화함으로써 이전에는 도달할 수 없었던 정밀도로 물리적 세계를 밀고 당기는 것이 가능하다는 것을 명확히 보여주는 사례입니다. 기술이 성숙해짐에 따라, 이는 빛과 물질의 교차점에서 연구하는 과학자들에게 표준적인 도구가 되어 양자 영역에서의 새로운 발견을 가능하게 할 것입니다.