Nonlinear quantum effects and squeezing in cavity optomechanics

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2015-04-29
Issue Year
2015
Authors
Kronwald, Andreas
Editor
Abstract

In this thesis we investigate nonlinear quantum effects and squeezing in cavity optomechanical systems, where light interacts with mechanical motion. In the first part of this thesis we analyze how to generate squeezed mechanical states and squeezed output light with state-of-the-art optomechanical setups via dissipation. We predict that arbitrary large steady-state bosonic squeezing can be generated. Furthermore, we show that our dissipative output light squeezing scheme can be used directly to enhance the intrinsic measurement sensitivity of an optomechanical cavity. In the second part, we explore the so-called “single-photon strong coupling regime” of optomechanics. In this regime, the nonlinear quantum nature of the optomechanical interaction becomes important. We work out the first signatures of this nonlinear quantum interaction. We also propose how to observe these signatures with near-future optomechanical experiments. In the following, we analyze how an even stronger quantum interaction between photons and phonons modifies the statistics of photons which are transmitted through an optomechanical system. In the last part of this thesis, we discuss how to verify energy quantization of a mechanical degree of freedom. We propose to make use of an optomechanical setup where the position squared of a mechanical degree of freedom is coupled to the light field. We predict that energy quantization could be observable e.g. with nanometer-sized dielectric spheres.

Abstract

In dieser Arbeit werden nichtlineare Quanteneffekte und gequetschte Zustände in der kavitätsbasierten Optomechanik studiert. In diesem Feld wird die Wechselwirkung zwischen Licht und mechanischer Bewegung analysiert. Im ersten Teil der Arbeit wird untersucht, wie gequetschte mechanische Zustände und gequetschtes Licht mit heute verfügbaren optomechanischen Experimenten generiert werden können. Dabei nutzt die vorgeschlagene Methode Dissipation explizit aus. Es wird vorhergesagt, dass beliebig stark gequetschte, stationäre mechanische Zustände erzeugt werden können. Des Weiteren wird gezeigt, dass die dissipative Methode zur Erzeugung von gequetschtem Licht, welches aus der Kavität austritt, direkt genutzt werden kann, um die intrinsische Messsensitivität der optomechanischen Kavität zu erhöhen. Im zweiten Teil der Arbeit wird das sogenannte “single-photon strong coupling regime” der Optomechanik betreten, in dem die nichtlineare Wechselwirkung zwischen Licht und Mechanik auf der Quanten-Ebene wichtig wird. Zunächst werden erste Anzeichen dieser nichtlinearen Quanten-Wechselwirkung herausgearbeitet und es wird vorgeschlagen, wie diese Anzeichen mit Experimenten beobachtet werden könnten, die in naher Zukunft entwickelt werden. Anschließend wird analysiert, welchen Einfluss eine sehr starke Wechselwirkung zwischen einzelnen Photonen und Phononen auf die Statistik von Photonen hat, die durch das optomechanische System transmittiert wurden. Im letzten Teil der Arbeit wird diskutiert, wie man die Quantisierung der Energie eines mechanischen Freiheitsgrades messen kann. Dabei wird die quadratische Position des mechanischen Freiheitsgrades an das Lichtfeld gekoppelt. Es wird vorhergesagt, dass Energiequantisierung mit dielektrischen Kügelchen beobachtet werden könnte, die einen Durchmesser in der Größenordnung einiger Nanometer haben.

DOI
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