Manipolazione optomeccanica di stati di luce ‘squeezed’
Una cavità ottica risonante nella quale uno specchio è un oscillatore meccanico costituisce un sistema optomeccanico dove i gradi di libertà meccanici sono accoppiati con i modi del campo ottico tramite la forza di pressione di radiazione, Fig. 1. Un aspetto interessante dell’interazione optomeccanica è l’accoppiamento che essa induce tra le fluttuazioni di ampiezza e di fase della luce. Infatti, il rumore di ampiezza della luce incidente esercita una forza di pressione di radiazione che spinge casualmente l’elemento meccanico, il cui movimento, a sua volta, induce fluttuazioni di fase sul fascio riflesso.
L’interazione tra modi ottici e meccanici dà luogo a una varietà di effetti, che, nel regime quantistico, possono consentire l’esplorazione della meccanica quantistica in maniera completamente nuova. Oscillatori optomeccanici quantistici potrebbero essere utilizzati come trasduttori tra circuiti a microonde e circuiti fotonici; inoltre, essi sono di sicuro interesse per applicazioni di metrologia quantistica e sensoristica oltre il limite quantistico standard.
Il nostro esperimento (in collaborazione con il CNR-IMEM) mira a dimostrare la possibilità di manipolare e controllare, attraverso l’effetto dell’interazione optomeccanica, la dipendenza spettrale delle quadrature delle fluttuazioni di uno stato di luce ‘squeezed’. Il sistema optomeccanico che intendiamo investigare è una cavità ottica risonante ad alta finesse, il cui specchio finale è un micro-oscillatore meccanico in silicio. La cavità risonante aumenta l’intensità luminosa circolante e nel contempo rende l’intensità fortemente dipendente dalla posizione dello specchio.
Un primo obiettivo è la realizzazione di un sistema ottico in grado di generare luce squeezed nello stato di vuoto nella regione spettrale intorno ai 100-300 kHz. Il generatore di squeezing è basato su un oscillatore parametrico ottico degenere, sotto soglia.
Un secondo obiettivo è lo sviluppo di una famiglia di micro-oscillatori optomeccanici ottimizzati per la produzione di luce squeezed a quadratura di fase variabile. Il micro-specchio, Fig. 2, deve avere una elevata sensibilità meccanica per aumentare l’effetto della pressione di radiazione, e una bassa dissipazione meccanica per aumentare il tempo di coerenza e ridurre il rumore termico. L’alta finesse della cavità aumenta la pressione di radiazione che agisce sullo specchio mobile. Nello sviluppo dei dispositivi ottico-meccanici, si seguirà un approccio incentrato su oscillatori al silicio relativamente spessi sui quali viene depositato lo specchio ad alta riflettività. La massa relativamente elevata (circa 100 μg) viene compensata dalla possibilità di gestire potenze elevate a bassa temperatura. Questi risonatori meccanici possono raggiungere fattori di qualità fino a 2 x 106, se progettati con caratteristiche specifiche per tenere sotto controllo le perdite meccaniche.
L’obiettivo finale è l’assemblaggio della configurazione completa per l’interrogazione della cavità e il sistema omodina per la rivelazione della luce squeezed riflessa dalla cavità.
Schema concettuale di una cavità optomeccanica.
Simulazione agli elementi finiti di un microrisonatore meccanico (CNR-IMEM).