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

在静谧的光学物理世界中，光常被视为传递物体信息的信使。当一束光击中一个振动的物体时，散射的光会发生变化，从而揭示物体的运动状态，这一原理被广泛应用于从医学成像到探测遥远行星的各个领域。然而，这种相互作用是双向的。正如运动会改变光一样，光也会对物体施加微小的物理推力，这种力被称为辐射压力。虽然科学家们长期以来一直能够测量运动如何改变光，但利用光来精确推动和控制较大、连续物体的运动仍然是一个巨大的挑战。这种力量极其微弱，而且对于复杂的物体，很难将这种推力定向作用于表面的特定部分而不影响整体。

亚利桑那大学的研究团队现在展示了一种利用这种微妙力量的新方法。他们成功地使用一种特殊形状的光束，推动并控制了一个由氮化硅制成的微小正方形薄膜的振动。通过将光塑造成复杂的图案并随后快速移动该图案，他们能够激发薄膜中的特定振动，甚至能降低其运动的温度。这项工作填补了测量机械运动与主动控制运动之间的空白，为那些依赖于光与物质之间微妙舞蹈的先进技术开辟了道路。

实验的核心是一个微观薄膜，这是一个每边长2.5毫米、厚度仅为90纳米的正方形氮化硅片。在肉眼看来，这张薄片是坚实的，但在显微镜下，它的行为就像一个可以产生多种不同振动模式的鼓面。研究人员想要观察是否可以使用光来推动这个“鼓面”进行特定的振动。为此，他们使用了一个称为空间模式解复用器（spatial mode demultiplexer）的装置，该装置可以将激光束分解成不同的空间形状或图案。他们选择使用一组被称为埃尔米特-高斯模（Hermite-Gauss modes）的特定光模式，这些模式看起来像是明暗交替的点阵网格。

这项发现的核心在于这些光模式如何与薄膜相互作用。当研究人员将一个简单的单点光照射在薄膜上时，产生的推力在整个光斑处是均匀的。然而，当他们结合两种不同的光模式并改变它们之间的相位时，就创造出了一种移动的干涉图案。想象一下两圈在池塘中重叠的涟漪；在它们相遇的地方，会产生一个新的、移动的图案。研究人员对光也做了类似的操作。通过调制两个光模之间的相对相位，他们创造了一个在薄膜上前后移动的辐射压力图案。

这种移动的压力就像一只手在推秋千。如果光图案移动的速度恰到好处，它就能推动薄膜进入特定的振动。团队通过将基础光点与更复杂的形状相结合进行了测试。他们发现，产生的力完全取决于光击中薄膜的位置。例如，结合两种特定的光模会产生一个在薄膜上左右移动的压力图案，而另一种组合则会上下推动。通过在薄膜表面扫描这些光模式，他们能够精确绘制出薄膜如何响应的详细图谱。结果呈现了一幅详细的图像，显示出根据所使用的光的形状，光可以有选择性地激发不同的振动模式，例如看起来像棋盘格或“8”字形的模式。

该研究最显著的成就之一是利用这种控制来冷却薄膜的运动。所有物体在室温下都会因热量而产生振动，这些微小的振动是可能干扰敏感测量的噪声源。研究人员想要停止这种热噪声。他们建立了一个反馈回路：测量薄膜的运动，然后立即调整光的相位以对抗这种运动，从而起到类似于“刹车”的作用。由于他们可以塑造光以针对特定的振动模式，因此他们能够同时冷却两种几乎相同的振动。这两种振动的频率都在263 kHz附近，由于它们的频率如此接近，通常会互相干扰，导致难以单独控制。这些模式的失谐量（detuning）约为30 Hz。

通过使用两对不同的光模，团队能够区分这两种振动。其中一对光模对第一种振动敏感，而另一对则对第二种振动敏感。他们向每一对光模应用了反馈信号，分别减缓了每种振动的运动。数据显示，他们可以将这些振动的能量降低约10分贝，这是热噪声的一个显著降低。这种同时冷却两个不同模式的任务在光力学领域是非常困难的，而利用单束以两种方式塑形的光来实现这一点，展示了新的精密水平。

这项工作的意义不仅限于冷却单个薄膜。利用结构光在物体的特定部分进行推拉，暗示了操纵机械系统的新方法。研究人员指出，这种技术可以应用于其他机械系统，包括那些悬浮在半空中的系统。如果同样的原理可以进行规模化应用，那么将多个物体冷却到其最低能量状态（即量子基态）将成为可能，这对于量子计算和超灵敏力检测至关重要。研究还暗示，使用不同形状的光（例如像软木塞一样旋转的螺旋形光）可以产生旋转力，从而使机械物体旋转。

实验的成功依赖于高质量的氮化硅薄膜和高精度的光整形装置。薄膜被放置在一个高真空室中以消除空气阻力，使其能够自由振动。光源是波长为1550纳米的激光，且激光强度保持在较低水平，以避免加热薄膜。研究人员使用电动位移台在薄膜上移动光束，创建了辐射压响应图。这张图谱证实了光施加的力与光的形状以及在薄膜上的位置直接相关。

这项工作代表了量子光力学领域的一个进步，该领域的目标是利用光的量子特性来控制机械运动。通过证明辐射压力可以被用来有选择性地驱动和冷却特定机械谐振器的模式，研究人员为科学家提供了一个新工具。能够同时控制多个模式是准备复杂量子态的关键要求，而这些状态对于先进技术是必不可少的。虽然目前的实验是在一个相对较大的薄膜上进行的，但这里展示的原理同样适用于更小、更复杂的系统。研究人员建议，未来光整形技术的进步可能会实现更精确的控制，从而可能带来力显微术和微观粒子操控方面的新应用。

该研究得到了美国国家科学基金会和海军研究办公室的支持，凸显了这项研究对未来技术进步的重要性。团队也感谢了在制造薄膜和提供工程支持方面的同事。他们的工作清晰地证明，通过以正确的方式塑造光，就可以以前所未有的精度对物理世界进行推力和拉力操作。随着技术的成熟，它可能会成为研究光与物质交汇领域科学家的标准工具，从而推动量子领域的全新发现。