Diamond optomechanical crystals for high-frequency strain and comb generation

技术摘要：用于高频应变与光梳生成的钻石光机小晶体

问题与动机
量子光力学技术需要能够在高频下运行、可进行相干驱动并能与其他量子系统耦合的机械振子。虽然光机小晶体（OMC）腔为将 GHz 频率声子和光子限制在纳米级体积内提供了途径，但寻找一种既能支持高机械共振频率、又能处理高光学功率，同时还能与固态自旋量子比特实现强耦合的材料平台仍然是一个挑战。钻石被认为是理想的候选材料，因为它具有大的弹性模量（增强了共振频率）、低非线性光学吸收（允许高场强）以及能够容纳自旋量子比特（如 NV 和 SiV 中心）并通过应变与机械模式相互作用的能力。然而，以往基于微盘谐振器的钻石 OMC 展示，其机械振荡幅度及应变水平相对有限。

方法论
作者设计并制造了一个由阵列式椭圆气孔图案化的悬浮纳米梁构成的单晶钻石 OMC 腔。该器件由光学级 CVD 生长的钻石通过改进的受 SCREAM 启发、具有准各向同性欠切工艺（结合了用于侧壁保护的 $\text{Al}_2\text{O}_3$）制成。设计采用了光子-声子协同设计原则，通过改变气孔椭圆度和晶格常数来创建缺陷区域，从而将光子和声子分别局限在各自的带隙内。

该器件在环境条件下使用凹陷纤维锥探针进行了表征。关键实验步骤包括：

1. 光学表征： 通过在腔共振处扫描可调谐激光器来测量透射光谱，并提取光学品质因子（$Q_{opt}$）和衰减率。
2. 机械表征： 通过监测透射光场的射频（RF）功率谱密度（PSD）来检测呼吸模式的热力学运动。
3. 光力耦合测量： 分析随激光失谐变化的光力反作用引起的机械线宽（$\Gamma_{eff}$）修正，以提取单光子光力耦合率（$g_0$）。
4. 自激振荡与光梳生成： 增加输入激光功率（蓝失谐至斯托克斯频率），将机械模式驱动进入自持振荡状态。生成的频率梳通过实时频谱分析仪和具有外差检测的光谱分析仪（OSA）进行分析，以解析跨越宽带宽的边带。
5. 建模： 将实验数据与考虑了光热效应和调制指数的非线性腔光力运动方程进行对比，以定量估算振荡幅度和应变。

关键结果

• 器件性能： 所制造的钻石 OMC 支持多个光学模式（O1, O2, O3）和高频机械呼吸模式（M1, M2, M3）。基频机械模式（M1）工作在 12.43 GHz，三阶模式（M3）工作在 11.89 GHz。
• 耦合率： 该器件实现的单光子光力耦合率为 O1–M1 对的 $g_0/2\pi = 343$ kHz，以及 O2–M3 对的 $196$ kHz。这些数值超过了以往在电信波长下展示的钻石 OMC 耦合率。
• 品质因子： 该器件展示了 M1 模式在室温下的 $Q_m \times f_m$ 积为 $1.2 \times 10^{14}$ Hz，超过了相干运行阈值 20 倍，并超过了以往纳米光子系统 3.4 倍。
• 频率梳生成： 通过将 O2–M3 系统驱动进入自持振荡，作者生成了一个跨度为 143 GHz、齿间距为 11.89 GHz 的光学频率梳。该频率梳由 13 条清晰的谱线组成。
• 应变幅度： 通过对光梳光谱和耦合强度的定量分析，揭示了最大机械振荡幅度为 130 pm。这对应于 $1.1 \times 10^{-3}$ 的总动态应变。

意义与主张
论文声称，所展示的钻石 OMC 代表了腔光力学领域的重大进展，特别是在紧凑型室温器件中生成高频机械振荡和光学频率梳方面。

• 应变介导的自旋控制： 实现的 $1.1 \times 10^{-3}$ 动态应变比以往用于 NV 中心自旋相干操纵的应变高出约一个数量级。作者估计 SiV 中心的自旋-机械耦合率为 $5.61$ MHz，超过了相干操纵的展示阈值，表明该器件是实现钻石自旋量子比特光力学控制的可行平台。
• 打破纪录的指标： 该工作报告了在环境条件下制造的 GHz 频率钻石（或其他材料）光力腔中最大的 $Q_m \times f_m$ 积，并指出该值甚至超过了一些在低温条件下运行的器件。
• 频率梳生成： 展示的频率梳具有比以往光力系统更大的齿间距（12 GHz）和总带宽（143 GHz）。作者指出，虽然非线性光学平台可以实现更大的带宽，但该器件中的机械共振频率决定了梳间距，这与纯光学非线性过程相比具有明显优势，因为后者需要大得多的器件几何尺寸才能达到类似的间距。

作者总结道，该器件对光学加热的抗性及其高频、高相干特性，使其成为未来量子存储器、换能器以及多模光力学实验极具前景的平台，特别是当与固态自旋量子比特集成时。