Nanomechanics interacting with light: Dynamics of coupled multimode optomechanical systems

Nanomechanik im Wechselspiel mit Licht: Dynamik gekoppelter optomechanischer Multimodensysteme

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-29196
  • In this thesis we theoretically investigate the dynamics of coupled multimode optomechanical systems. Progress in nanofabrication recently enabled to design micro- and nanomechanical resonators whose motion can be coupled to electromagnetic fields, stimulating the field of optomechanics. An exciting new development recently introduced optomechanical setups that involve several coupled optical and vibrational modes, so-called coupled multimode optomechanical systems (motivated in Chapter 1). Up to now research mainly focused on the steady-state dynamics of optomechanical systems. Going beyond this standard approach, in Chapter 2, we consider a time-dependent drive of the mechanics andIn this thesis we theoretically investigate the dynamics of coupled multimode optomechanical systems. Progress in nanofabrication recently enabled to design micro- and nanomechanical resonators whose motion can be coupled to electromagnetic fields, stimulating the field of optomechanics. An exciting new development recently introduced optomechanical setups that involve several coupled optical and vibrational modes, so-called coupled multimode optomechanical systems (motivated in Chapter 1). Up to now research mainly focused on the steady-state dynamics of optomechanical systems. Going beyond this standard approach, in Chapter 2, we consider a time-dependent drive of the mechanics and investigate non-equilibrium photon dynamics driven by mechanical motion. It turns out that the most striking effects can be observed for coupled multimode optomechanical setups consisting of several coupled optical (and vibrational) modes. In this case, mechanical driving allows one to deliberately transfer photons between different optical modes in a coherent fashion. More generally, the mechanically driven coherent photon dynamics, that we introduce, in principle enables to realize all kinds of strongly driven two- and multilevel dynamics known from atomic physics in the light fields of optomechanical systems. For instance, for a recently developed setup and experimentally feasible parameters, we predict the possibility of observing an Autler-Townes splitting indicative of Rabi dynamics as well as Landau-Zener-Stueckelberg oscillations. The application of external mechanical driving can thus open up the whole domain of strongly driven two- and multilevel phenomena to the field of optomechanics. In Chapter 3, we investigate the dynamical back-action of coupled multimode optomechanical systems, i.e. light acting back on the mechanics after having been influenced by the mechanical motion. Generally, back-action effects have been of particular interest for the field of optomechanics. This dynamics, for instance, enables optomechanical cooling and can induce mechanical self-oscillations akin to lasing. Going beyond the regime of the linearized light-field dynamics, we analyze how mechanically driven multi-mode photon dynamics (cf. Chapter 2) acts back on the mechanics via radiation forces. We show that even for two optical modes Landau-Zener-Stueckelberg oscillations of the light field drastically change the nonlinear attractor diagram of the resulting phonon lasing oscillations. More generally, our findings illustrate the generic effects of Landau-Zener physics on back-action induced self-oscillations. Besides the optical domain, the standard optomechanical system has recently been implemented by replacing the optical cavity by a superconducting microwave resonator. Motivated by this development, in Chapter 4, we investigate coupled multimode optomechanics in the microwave regime. We point out that in contrast to similar systems in the optical realm, the coupling frequency governing photon exchange between microwave modes is naturally comparable to typical mechanical frequencies. This has several implications and so these systems have advantages that go beyond bulk refrigerator cooling and on-chip integration. In particular, we investigate two setups where the electromagnetic field is coupled either linearly or quadratically to the displacement of a nanomechanical beam. The latter scheme allows one to perform QND Fock state detection. For experimentally realistic parameters we predict the possibility to measure an individual quantum jump from the mechanical ground state to the first excited state. Finally, building on the fascinating development to diminish and on-chip integrate optomechanical systems (based on photonic crystal structures for instance), in Chapter 5, we start to investigate the collective nonlinear dynamics in arrays of coupled optomechanical cells. Here, each unit consists of a laser-driven optical and a mechanical mode. Beyond a certain threshold of the laser input power, each cell, implementing the standard optomechanical system, shows a Hopf bifurcation towards a regime of self-induced mechanical oscillations. We show that the phases of many such coupled optomechanical oscillators, even in case of different bare initial frequencies, can lock to each other, synchronizing the dynamics to a collective oscillation frequency. We present different regimes for the dynamics and derive an effective Kuramoto-type model that allows one to explain and predict most of the features that will be observable in future experiments.show moreshow less
  • In dieser Arbeit wird die Dynamik von gekoppelten optomechanischen Multimodensystemen untersucht. Die Fabrikation von Nanostrukturen hat es ermöglicht mikro- und nanomechanische Resonatoren herzustellen, deren mechanische Bewegung an elektromagnetische Strahlung koppelt. Kürzlich wurden einige solcher optomechanischen Systeme entwickelt, deren Dynamik durch mehrere gekoppelte optische und mechanische Moden bestimmt ist. Diese führt uns zur Thematik dieser Arbeit; die Dynamik gekoppelter optomechanischer Multimodensysteme, siehe Kapitel 1. Die bisherige Forschung hat sich hauptsächlich auf die Gleichgewichtsdynamik von optomechanischen Systemen konzentiert. Über diese gängigeIn dieser Arbeit wird die Dynamik von gekoppelten optomechanischen Multimodensystemen untersucht. Die Fabrikation von Nanostrukturen hat es ermöglicht mikro- und nanomechanische Resonatoren herzustellen, deren mechanische Bewegung an elektromagnetische Strahlung koppelt. Kürzlich wurden einige solcher optomechanischen Systeme entwickelt, deren Dynamik durch mehrere gekoppelte optische und mechanische Moden bestimmt ist. Diese führt uns zur Thematik dieser Arbeit; die Dynamik gekoppelter optomechanischer Multimodensysteme, siehe Kapitel 1. Die bisherige Forschung hat sich hauptsächlich auf die Gleichgewichtsdynamik von optomechanischen Systemen konzentiert. Über diese gängige Vorgehensweise hinaus betrachten wir in Kapitel 2 einen periodischen, zeitabhängigen Antrieb der Mechanik und analysieren die durch mechanische Bewegung getriebene Photonendynamik ausserhalb ihres Gleichgewichts. Für gekoppelte optomechanische Multimodensysteme, deren Dynamik durch mehrere gekoppelte optische (und mechanische) Moden bestimmt ist, ergeben sich dabei wesentlich neue Effekte. Insbesondere erlaubt dieser Ansatz Photonen zwischen verschiedenen optischen Moden kontrolliert und auf kohärente Weise zu transferieren. In Prinzip ermöglicht die mechanisch getriebene Photonendynamik diverse stark getriebene Zwei- und Mehr-Niveau-Phänomene der Atomphysik in den Lichtfeldern optomechanischer Systeme zu realisieren. Mechanisches Treiben eröffnet der Optomechanik damit das gesamte Feld der stark getriebenen Zwei- und Mehr-Nieveau-Dynamik. In Kapitel 3 untersuchen wir die dynamische Rückwirkung (back-action) von gekoppelten optomechanischen Multimodensystemen, d.h. Licht wirkt zurück auf die Mechanik nachdem es durch die mechanische Bewegung beeinflusst wurde. Diese Effekte sind für die Optomechanik von besonderem Interesse. So ermöglicht diese Dynamik beispielsweise optomechanisches Kühlen und kann mechanische Selbstoszillationen induzieren. Letztere Oszillationen ähneln dem Verhalten eines Lasers. Über die linearisierte Lichtfelddynamik hinausgehend analysieren wir wie die mechanisch getriebene Photonendynamik zwischen verschiedenen Moden (vgl. Kapitel 2) mittels Strahlungskräften auf die Mechanik zurückwirkt. Wir zeigen, dass bereits für zwei optische Moden Landau-Zener-Stückelberg Oszillationen des Lichtfeldes das nichtlineare Attraktordiagramm der resultierenden Phonon-Laser-Oszillationen drastisch ändern. Grundsätzlich zeigen unserer Ergebnisse die allgemeinen Effekte von Landau-Zener Physik auf durch Rückwirkung induzierte Selbstoszillationen. Das optomechanische Standardsystem wurde kürzlich realisiert indem die optische Kavität durch einen supraleitenden Mikrowellenresonator ersetzt wurde. Motiviert durch diese Entwicklung untersuchen wir in Kapital 4 gekoppelte optomechanische Multimodensysteme im Mikrowellenregime. Im Unterschied zu ähnlichen optischen Systemen ist die Kopplungsfrequenz, die den Photonenaustausch zwischen Mikrowellenmoden charakterisiert, naturgemäß vergleichbar mit typischen mechanischen Frequenzen. Dies hat verschiedene Konsequenzen und diese Systeme besitzen dadurch Vorteile, die über die Verwendung standarisierter Kühlsysteme und Integration auf einem Chip hinausgehen. Insbesondere untersuchen wir zwei Systeme bei denen das elektromagnetische Feld linear beziehungsweise quadratisch an die Auslenkung eines nanomechanischen Biegebalkens gekoppelt ist. Das letztere Schema ermöglicht die QND-Detektion von Fockzuständen. Für experimentell realisierbare Parameter berechnen wir die Möglichkeit der Detektion eines einzelnen Quantensprungs vom mechanischen Grundzustand zum ersten angeregten Zustand. Beispielsweise durch die Nutzung photonischer Kristalle konnten optomechanische Systeme zum einen deutlich verkleinert und zum anderen auf Chips integriert werden. Ausgehend von dieser neuen Entwicklung beginnen wir in Kapitel 5 damit die kollektive nichtlineare Dynamik in Anordnungen von gekoppelten optomechanischen Zellen zu untersuchen. Hierbei besteht jede Einheit aus einer lasergetriebenen optischen und einer mechanischen Mode. Jenseits eines bestimmten Grenzwertes für die Lasereingangsleistung weist jede Zelle, die für sich genommen das optomechanische Standardsystem darstellt, eine Hopf-Bifurkation zu selbstinduzierten mechanischen Oszillationen auf. Wir zeigen, dass die Phasen vieler solcher optomechanischen Oszillatoren, auch für den Fall verschiedener intrinsischer Zellfrequenzen, auf verschiedenen Phasenabstände einrasten können. Dadurch ist das System auf eine gemeinsame, kollektive Oszillationsfrequenz synchronisiert. Wir beschreiben verschiedene Regime der Dynamik und leiten ein effektives Kuramoto-Modell her, das es erlaubt die wesentlichen Merkmale der gekoppelten optomechanischen Dynamik zu beschreiben.show moreshow less

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Metadaten
Author:Georg Heinrich
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-29196
Advisor:Florian Marquardt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2011
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2011/10/27
Release Date:2011/11/29
Tag:Gekoppelte Multimodensysteme; Mechanisch getriebene Photonendynamik; Optomechanik; Optomechanische Arrays; Rückwirkungsinduzierte Instabilitäten
Back-action induced instabilities; Coupled optomechanical systems; Mechanically driven coherent photon dynamics; Optomechanical arrays; Optomechanics
SWD-Keyword:Licht; Mechanik; Nichtlineare Dynamik; Strahlungsdruck
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Physik / Physik
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