Collective quantum effects in optomechanical systems

Kollektive Quanteneffekte in optomechanischen Systemen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-36511
  • In the field of optomechanics, one typically studies the interaction of a single mechanical resonator and a single optical cavity mode. In this thesis, we investigate collective quantum effects in optomechanical systems with two or more optical and mechanical modes. First, we study the generation and destruction of entanglement between two mechanical resonators effected by optical cavity fields. We also describe how the optomechanical interaction can be employed to mediate strong coherent coupling and entanglement between a micromechanical membrane and a single atom. Secondly, we show that a configuration with two optical and a single mechanical mode can lead to enhanced nonlinearIn the field of optomechanics, one typically studies the interaction of a single mechanical resonator and a single optical cavity mode. In this thesis, we investigate collective quantum effects in optomechanical systems with two or more optical and mechanical modes. First, we study the generation and destruction of entanglement between two mechanical resonators effected by optical cavity fields. We also describe how the optomechanical interaction can be employed to mediate strong coherent coupling and entanglement between a micromechanical membrane and a single atom. Secondly, we show that a configuration with two optical and a single mechanical mode can lead to enhanced nonlinear interactions, which can be exploited for quantum non-demolition measurements of the phonon and photon numbers. Finally, we explore the quantum many-body dynamics of optomechanical arrays. In particular, we research into the transition from a disordered state due to quantum noise to a state with phasecoherent mechanical oscillations. As an intermediate step towards this study, we also investigate the nonlinear classical dynamics of single- and multi-mode optomechanical setups and compare theoretical predictions to experimental data.show moreshow less
  • Studien optomechanischer Systeme befassen sich typischerweise mit der Wechselwirkung eines einzelnen mechanischen Resonators mit einer Kavitätsmode. In dieser Arbeit untersuchen wir kollektive Quanteneffekte in optomechanischen Systemen, die aus zwei oder mehreren optischen und mechanischen Moden bestehen. Zunächst befassen wir uns damit, wie quantenmechanische Verschränkung zwischen zwei mechanischen Resonatoren mit Hilfe optischer Kavitätsmoden erzeugt, aber auch vernichtet werden kann. Wir beschreiben auch, wie die optomechanische Kopplung genutzt werden kann, um die Bewegung einer mikromechanischen Membran und eines einzelnen Atoms stark miteinander zu koppeln und zuStudien optomechanischer Systeme befassen sich typischerweise mit der Wechselwirkung eines einzelnen mechanischen Resonators mit einer Kavitätsmode. In dieser Arbeit untersuchen wir kollektive Quanteneffekte in optomechanischen Systemen, die aus zwei oder mehreren optischen und mechanischen Moden bestehen. Zunächst befassen wir uns damit, wie quantenmechanische Verschränkung zwischen zwei mechanischen Resonatoren mit Hilfe optischer Kavitätsmoden erzeugt, aber auch vernichtet werden kann. Wir beschreiben auch, wie die optomechanische Kopplung genutzt werden kann, um die Bewegung einer mikromechanischen Membran und eines einzelnen Atoms stark miteinander zu koppeln und zu verschränken. Darüber hinaus zeigen wir, dass eine Anordnung aus zwei optischen und einer mechanischen Mode zu verstärkten nichtlinearen Wechselwirkungen führt, und wie diese dazu genutzt werden können, die Phonon- und Photonzahlen nicht-destruktiv zu messen. Schließlich untersuchen wir quantenmechanischen Vielteilcheneffekte in Anordnungen aus vielen optomechanischen Systemen. Insbesondere erforschen wir den Übergang von einem ungeordneten Zustand, bedingt durch quantenmechanisches Rauschen, zu einem kollektiven Zustand mit Phasen-kohärenten mechanischen Oszillationen. Als Zwischenschritt zu diesen Studien betrachten wir auch die nichtlineare klassische Dynamik in optomechanischen Systemen mit einzelnen oder mehreren Moden und vergleichen die theoretischen Vorhersagen mit experimentellen Daten.show moreshow less

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Metadaten
Author:Max Ludwig
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-36511
Referee:Florian Marquardt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2013/02/07
Release Date:2013/09/24
Tag:Cross-Kerr nonlinearity; Mechanical phase transition; Multimode optomechanical system; Optomechanical array; Quantum nondemolition measurement
SWD-Keyword:Nichtlineare Dynamik; Optomechanik; Quantenmechanischer Messprozess; Quantenmechanisches System + Dissipatives System; Quantenphasenübergang
Pagenumber:113
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
PACS-Classification:00.00.00 GENERAL / 03.00.00 Quantum mechanics, field theories, and special relativity (see also section 11 General theory of fields and particles) / 03.65.-w Quantum mechanics [see also 03.67.-a Quantum information; 05.30.-d Quantum statistical mechanics; 31.30.J- Relativistic and quantum electrodynamics (QED) effects in atoms, molecules, and ions in atomic physics] / 03.65.Yz Decoherence; open systems; quantum statistical methods (see also 03.67.Pp in quantum information; for decoherence in Bose-Einstein condensates, see 03.75.Gg)
00.00.00 GENERAL / 05.00.00 Statistical physics, thermodynamics, and nonlinear dynamical systems (see also 02.50.-r Probability theory, stochastic processes, and statistics) / 05.45.-a Nonlinear dynamics and chaos (see also section 45 Classical mechanics of discrete systems; for chaos in fluid dynamics, see 47.52.+j) / 05.45.Xt Synchronization; coupled oscillators
30.00.00 ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS / 37.00.00 Mechanical control of atoms, molecules, and ions (see also 82.37.Gk STM and AFM manipulations of a single molecule in physical chemistry and chemical physics; for atom manipulation in nanofabrication and processing, see 81.16.Ta; see also 03.75.-b Matter
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.50.-p Quantum optics (for lasers, see 42.55.-f and 42.60.-v; see also 42.65.-k Nonlinear optics; 03.65.-w Quantum mechanics) / 42.50.Ct Quantum description of interaction of light and matter; related experiments
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.50.-p Quantum optics (for lasers, see 42.55.-f and 42.60.-v; see also 42.65.-k Nonlinear optics; 03.65.-w Quantum mechanics) / 42.50.Dv Quantum state engineering and measurements (see also 03.65.Ud Entanglement and quantum nonlocality, e.g., EPR paradox, Bells inequalities, GHZ states, etc.)
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.50.-p Quantum optics (for lasers, see 42.55.-f and 42.60.-v; see also 42.65.-k Nonlinear optics; 03.65.-w Quantum mechanics) / 42.50.Ex Optical implementations of quantum information processing and transfer
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.50.-p Quantum optics (for lasers, see 42.55.-f and 42.60.-v; see also 42.65.-k Nonlinear optics; 03.65.-w Quantum mechanics) / 42.50.Lc Quantum fluctuations, quantum noise, and quantum jumps
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.50.-p Quantum optics (for lasers, see 42.55.-f and 42.60.-v; see also 42.65.-k Nonlinear optics; 03.65.-w Quantum mechanics) / 42.50.Wk Mechanical effects of light on material media, microstructures and particles (see also 87.80.Cc Optical trapping in biology and medicine); Experimental tests in quantum electrodynamics, see 12.20.Fv; Measurements theory in quantum mechanics, see 03.65.Ta
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