پیش‌نویس:اپتومکانیک کاواک - ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

''اپتومکانیک کاواک'' شاخه ای از [[فیزیک]] است که بر روی [[برهمکنش بین نور]] و اجسام مکانیکی در مقیاس های کم انرژی تمرکز دارد. این شاخه زمینه ای مشترک از [[اپتیک]]، [[اپتیک کوانتومی]]، [[فیزیک حالت جامد]] و [[علم مواد]] است. انگیزه پژوهش در اپتومکانیک کاواک مطالعه بنیادی نظریه کوانتومی و گرانش، و همچنین کاربرد در فن آوری است. 

نام زمینه بر آمده از اثر مورد نظر اصلی در این رشته است که توصیف کننده برهمکنش فشار تابشی بین نور (فوتون) و ماده با استفاده از تشدید کننده های نوری است. این موضوع اولین بار در تشخیص امواج گرانشی مطرح شد، چون اثر های اپتومکانیکی در آشکارسازی امواج گرانشی تداخل سنجی در نظر گرفته شد. علاوه بر این، ممکن است ساختارهای اپتومکانیکی امکان تحقق حالت های گربه شرودینگر را فراهم کند. اشیای ماکروسکوپی که شامل میلیون ها اتم هستند درجه های آزادی جمعی دارند که ممکن است به صورت مکانیکی کوانتومی داشته باشند، مثلا کره ای با قطر میلیمتری می تواند در یک ابرحالت فضایی بین دو مکان مختلف وجود داشته باشد. چنین حالت کوانتومی حرکت اجازه می دهد تا به طور تجربی فرآیند واهمدوسی مطالعه شود، فرآیندی که در آن حالت های توصیف شده توسط مکانیک کوانتومی به حالت های توصیف شده توسط مکانیک نیوتنی تبدیل می شوند. ساختارهای اپتومکانیکی روش جدیدی را برای آزمایش پیش بینی های مکانیک کوانتومی و مدل های واهمدوسی ایجاد می کنند و در نتیجه می توانند به برخی از سؤالات اساسی فیزیک مدرن پاسخ دهند. 

طیف گسترده ای از سیستم های تجربی اپتومکانيکی وجود دارد که تقریبا توصیف مشابه دارند, اما در اندازه، جرم و فرکانس کاملا متفاوت هستند و از اتوگرم و گیگاهرتز تا کیلوگرم و هرتز گسترده هستند. اپتومکانیک کاواک به عنوان جدید ترین نقطه عطف تاریخ فوتون^[۱] در مجله نیچر فوتونیک به همراه مفاهیم بنیادی و فناوری مانند اطلاعات کوانتومی، نابرابری بل و لیزر معرفی شده است. 

مفاهیم اپتومکانیک کاواک[ویرایش]

فرآیندهای فیزیکی[ویرایش]

ابتدایی ترین برهمکنش نور-ماده این است که پرتو نور از سطح اجسام پراکنده می شود (اتم, مولکول, nanobeam و غیره.). در پراکندگی نور کشسان، همیشه فرکانس نور فرودی با فرکانس نور خروجی یکسان است ${\displaystyle }$. پراکندگی نور ناکشسان، در مقابل، همراه با برانگیختگی یا وابرانگیختگی اجسام همراه خواهد بود (به عنوان مثال ممکن است گذارهایی بین ترازهای داخلی اتم رخ دهد.). ابا این حال، مستقل از جزئیات الکترونیکی داخلی اتم ها یا مولکول ها، همیشه ممکن است پراکندگی رامان بر اساس ارتعاش های مکانیکی اجسام وجود داشته باشد: 

${\displaystyle }$،

که در آن ${\displaystyle }$ فرکانس ارتعاشی است. ارتعاش ها انرژی را به ترتیب در فرآیند های استوکس/پاد استوکس به دست می آورند یا از دست می دهند، در حالی که باند های جانبی نوری ایجاد شده در اطراف فرکانس نور فرودی تشکیل می شوند، مثلا

${\displaystyle }$.

اگر هر دو این فرآیند ها (پراکندگی استوکس و پاد استوکس) با آهنگ برابر رخ دهند، ارتعاش ها صرفا جسم را گرم می کنند. اما ممکن است با استفاده از یک کاواک اپتیکی فرآیند استوکس متوقف شود. این اصل سیستم اپتومکانيکی پایه ای را نشان می دهد: یک کاواک نوری راه اندازی شده توسط لیزر با ارتعاش های مکانیکی یک جسم جفت شده است. این تنظیم بسیار کلی است.  هدف از کاواک انتخاب فرکانس های اپتیکی (به عنوان مثال، فرونشانی فرآیند استوکس) افزایش تشدیدی شدت نور و افزایش حساسیت به ارتعاش های مکانیکی است. این سیستم جنبه های دو طرفه برهمکنش بین نور و مکانیک را نشان می دهد.  این بر خلاف انبرک نوری، شبکه نوری یا ارتعاش طیف سنجی ارتعاشی است که در آن ها میدان نور  مکانیک را کنترل می کند (یا بالعکس) اما حلقه بسته نشده است. 

یک راه دیگر معادل برای تفسیر اصل اپتومکانيکی کاواک با استفاده از مفهوم فشار تابشی است. با توجه به نظریه کوانتومی نور, هر فوتون با عدد موج ${\displaystyle }$  ${\displaystyle }$ با ثابت پلانک ${\displaystyle }$. این به این معنی است که یک فوتون منعکس شده از یک سطح آینه, تکانه خطی ${\displaystyle }$ را به آینه بر اساس پایستگی تکانه منتل می کند. این اثر بسیار کوچک است و در حالت معمولی مشاهده نمی شود, با این حال وقتی جرم آینه خیلی کم است و یا تعداد فوتون ها بسیار زیاد باشد (شدت زیاد نور) این اثر قابل توجه می شود. تکانه خطی فوتون ها بسیار کوچک است نمی تواند مکان آینه متحرک را به اندازه قابل توجهی تغییر دهد بنابراین نیاز به تقویت برهمکنش داریم. یکی از راه های ممکن برای انجام این کار استفاده از کاواک های نوری است. اگر یک فوتون بین دو آینه محدود باشد که یکی از آنها در حال نوسان و دیگری آینه سنگین و ثابت باشدُ فوتون در برخورد با آن آینه ها تکانه خطی را به آنها منتقل می کند. تعداد دفعاتی که یک فوتون می تواند تکانه خطی خود را به طور مستقیم منتقل می کند به ظرافت کاواک مربوط است که برای آینه های با ضریب بازتاب بیشتر مقدار بیشتری دارد. برای درک این که چرا فشار تابشی فوتون نمی کند به سادگی آینه متحرک را جابجا کند باید اثر آن بر روی میدان نور کاواک را در نظر گرفت: اگر آینه جابجا شود، کاواک طولانی تر می شود (یا کوتاه تر) که فرکانس تشدید کاواک را تغییر می دهد. بنابراین واکوکی بین فرکانس کاواک متغیر و فرکانس لیزر راه اندازی تغییر می کند. این واکوکی اندازه دامنه نور  در داخل کاواک را تعیین می کند - در واکوکی کوچک تر در واقع نور بیشتری وارد کاواک می شود، زیرا در این حالت به فرکانس تشدید کاواک نزدیک تر است. چون که دامنه نور، تعداد فوتون ها داخل کاواک، منجر به نیروی فشار تابشی بر روی آینه و جابجایی آن میشود: نیروی فشار تابشی به صورت موثر به مکان آینه بستگی دارد. یکی دیگر از استفاده از حفره های نوری این است که تغییر طول کاواک با آینه متحرک به صورت مستقیم در طیف کاواک مشاهده می شود.

برخی از اولین اثرات نور بر تشدید کننده مکانیکی  می تواند با تبدیل نیروی فشار تابشی به پتانسیل مشخص شود،

${\displaystyle }$،

و می توان این پتانسیل را به پتانسیل نوسانگر هارمونیک مکانیکی اضافه کرد. این پتانسیل ترکیب شده احتمال چند پایداری ایستا، مثلا چندین کمینه پایدار را نشان می دهد. علاوه بر آن، شیب نیروی فشار تابشی ${\displaystyle }$ می تواند به عنوان یک اصلاح ثابت مکانیکی فنر در نظر گرفته شود

${\displaystyle }$.

این اثر به عنوان نوری اثر فنر نوری (ثابت فنر تحریک شده به وسیله نور) شناخته شده است.

با این حال، این تصویر کامل نیست به صورتی که اثر های تاخیر ناشی از آهنگ میرایی فوتون کاواک ${\displaystyle }$. نیرو حرکت آینه را با یک تاخیر زمانی دنبال می کند. این منجر به اثرات مانند اصطکاک می شود. برای مثال اجازه دهید فرض کنیم مکان تعادل در جایی در شیب افزایش تشدید قرار گیرد. در تعادل گرمایی، نوسانهایی در اطراف این موقعیت وجود دارد که به دلیل تاخیر زمانی شکل تشدید را دنبال نمی کند. نتیجه این تاخیر  نیروی تابشی در طول یک سیکل نوسان معلوم می شود که کار انجام شده و در این مورد خاص منفی است ${\displaystyle }$یعنی تابش نیروی  انرژی مکانیکی را کاهش می دهد (در اینجا، میرایی تحریک شده با نور وجود دارد). این می تواند برای سرد کردن حرکت مکانیکی استفاده شود و به عنوان سرد کننده نوری یا اپتومکانيکی شناخته می شود. برای رسیدن به رژيم کوانتومی نوسانگر مکانیکی مهم است  که اثر های نویز گرمایی بر روی دستگاه قابل اغماض باشند.به صورت مشابه، اگر مکان تعادل در شیب کاهش تشدید کاواک قرار بگیرد، کار مثبت خواهد بود و حرکت مکانیکی تقویت می شود. در این مورد، میرایی تحریک شده به وسیله نور منفی است و منجر به تقویت حرکت مکانیکی (گرمایش)  اضافی ناشی از نور میرایی منفی است و منجر به تقویت حرکت مکانیکی (گرمایش) می شود. این نوع میرایی تحریک شده به وسیله تابش اولین بار در آزمایشهای پیشگام توسط براگینسکی و همکارانش در سال ۱۹۷۰م مشاهده شد.^[۲]

یک توضیح دیگر برای اثر های اپتومکانیکی سرمایش و تقویت را می توان در تصویر کوانتیزه شده ارایه کرد. با تنظیم نور ورودی از تشدید کاواک به باند جانبی قرمز، فوتون ها تنها می توانند وارد کاواک شوند اگر آنها فونوهای با انرژی ${\displaystyle }$ از نوسانگر مکانیکی بگیرند. این به طور موثر دستگاه را سرد می کند تا حالت تعادل با مکانیسم گرمایش از محیط و نویز لیزر برسد. در حالت مشابه این امکان وجود دارد که سازه با تنظیم لیزر راه اندازی در باند آبی گرم شود (تقویت مکانیکی حرکت). در این حالت فوتون های لیزر به فوتون های کاواک پراکنده شده و یک فونون اضافی در نوسانگر مکانیکی تولید می کنند.

به طور کلی، رفتار پایه ای سیستم اپتومکانيکی را می توان به رژیم های مختلف تقسیم کرد، بسته به واکوکی بین فرکانس لیزر و فرکانس تشدید کاواک،

${\displaystyle }$:

• رژیم واکوکی قرمز ${\displaystyle }$ (برجسته ترین اثر در باند جانبی قرمز ${\displaystyle }$): در این رژیم تبادل حالت بین دو نوسانگر تشدید شده می تواند رخ دهد (یعنی برهمکنش شکافت پرتو در اپتیک کوانتومی). این می تواند برای انتقال حالت بین فونون ها و فوتون ها (که نیاز به "رژیم زوج شدگی" دارد) یا سرمایش اپتیکی استفاده شود.
• رژیم واکوکی آبی ${\displaystyle }$ (برجسته ترین اثر در باند جانبی آبی ${\displaystyle }$): این رژیم "فشردگی دو حالت" را توصیف می کند. این حالت می تواند برای رسیدن به درهمتنیدگی ، فشردگی، و "لیز کردن" مکانیکی (تقویت حرکت مکانیکی به نوسانهای اپتومکانیکی خود پایدار/نوسان های دور محدود) استفاده شود، اگر رشد انرژی مکانیکی اتلاف های ذاتی را تحت الشعاع قرار دهد (عمدتا اصطکاک مکانیکی).
• در رژیم تشدید ${\displaystyle }$: در این رژیم کاواک به سادگی به صورت تداخل سنج عمل می کند، پس از آن می توان برای خواندن حرکت مکانیکی استفاده کرد.

همچنین اثر فنر اپتیکی به واکوکی بستگی دارد.  مشاهده می شود برای واکوکی های بزرگ${\displaystyle }$میرایی اپتیکی با واکوکی و راه اندازی لیزر تغییر می کند.

توصیف ریاضی [ویرایش]

هامیلتونی[ویرایش]

چینش اپتومکانيکی استاندارد راه اندازی یک کاواک فابری-پرو است که در آن یک آینه متحرک است و در نتیجه درجه آزادی مکانیکی دیگری اضافه می کند. به صورت ریاضی این سیستم را می توان با یک مد کاواک نوری زوج شده با یک مد مکانیکی توصیف کرد. زوج شدگی ناشی از فشار تابشی نور میدان است، که آینه را به میزان بسیار کمی جابجا می کند، که منجر به تغییر طول کاواک و فرکانس تشدید می شود. مد اپتیکی به وسیله لیزر خارجی راه اندازی می شود. این سیستم را می توان با  هامیلتونی موثر ذیل توصیف کرد^[۳]

${\displaystyle }$

که در آن ${\displaystyle }$ و ${\displaystyle }$هستند، که در رابطه زیر صدق می کنند 

${\displaystyle }$.

${\displaystyle }$مکان ${\displaystyle }$مکانیکی وابسته است، در حالی که ${\displaystyle }$ مکانیکی است. آخرین جمله راه اندازی لیزر با فرکانس راه اندازی  ${\displaystyle }$ و دامنه ${\displaystyle }$توصیف می کند، که به صورت زیر است 

${\displaystyle }$

با ${\displaystyle }$ توان ورودی زوج شده با مد اپتیکی مورد نظر و میرایی اپتیکی ${\displaystyle }$. البته، سیستم با محیط زوج شده است و توصیف سیستم باید شامل اتلاف اپتیکی و مکانیکی  (مشخص شده توسط ${\displaystyle }$ و ${\displaystyle }$ به ترتیب) و نویز های وارد شده به سیستم باشد.

استاندارد اپتومکانيکی هامیلتونی به دست آمده است با خلاص شدن از صریح زمان وابستگی لیزر رانندگی مدت و جدا اپتومکانيکی تعامل از نوری نوسان است. این دست آورد با تعویض به یک مرجع قاب دوار در فرکانس لیزر ${\displaystyle }$ (که در این صورت نوری در حالت نابودی اپراتور دستخوش تحول ${\displaystyle }$) و استفاده از تیلور گسترش در ${\displaystyle }$. درجه دوم و بالاتر به سفارش اتصال از نظر معمولا نادیده گرفته به طوری که استاندارد هامیلتونی می شود

${\displaystyle }$

منابع[ویرایش]