Orientador: Gustavo Silva Wiederhecker / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-23T23:27:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Luiz_GustavodeOliveira_M.pdf: 12840478 bytes, checksum: 50b184b19ca56624e14520e4331b112a (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A transferência de momento linear da luz para partículas foi teorizada no século XVII por Johanes Kepler e demonstrada pela primeira vez por Lebedev e, independentemente, por Nichols e Hull apenas em 1901. Em cavidades ópticas, como demonstrado por V. Braginsky, essa interação pode dar origem a diversos fenômenos interessantes. No ano de 2005 Tal Carmon demonstra alguns destes efeitos em cavidades microfabricadas. Nesta dissertação são apresentados os resultados de estudos sobre as microcavidades optomecânicas de disco duplo de nitreto de silício. Dentre estes estão medidas de ruído térmico de uma cavidade optomecânica deste tipo; a demonstração teórica de que deve ser possível operar tais cavidades no regime de banda lateral resolvida, usando modos mecânicos de ordem superior; a otimização do processo de fabricação destas cavidades, culminando em cavidades com fatores de qualidade mecânico, em vácuo e a temperatura ambiente, em torno de 10000 / Abstract: Momentum transfer from light to particles was theorized in the XVII century byJohanes Kepler and experimentally demonstrated for the first time by Lebedev and, independently, by Nichols and Hull only in 1901. In optical cavities, as shown by V. Braginsky, this interaction may result in many interesting phenomena. In 2005 Tal Carmon demonstrated some of these effects in microfabricated cavities. In this thesis the results of studies on silicon nitride double-disk optomechanical microcavities are presented. Among these results are the theoretical demonstration that it is possible to drive such devices in the resolved side-band regime, exciting higher order mechanical modes, thermal noise measurements and optimization of the fabrication process, yielding cavities with mechanical quality factors close to 10000, in vacuum and at room temperature / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Thiago Pedro Mayer Alegre / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-31T00:04:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Benevides_RodrigodaSilva_M.pdf: 12114965 bytes, checksum: 9db892fbca5fe67d883b58515f6e1dc7 (MD5) Previous issue date: 2016 / Resumo: A área de optomecânica de cavidades passou por um grande desenvolvimento na última década. O crescente interesse nesta área foi impulsionado principalmente pela interessante conexão entre movimentos mecânicos e campos ópticos. Tal acoplamento é amplamente explorado em diversos experimentos, com escalas variando de interferômetros quilométricos a cavidades ópticas microestruturadas. O principal desafio em todos estes experimentos é criar um dispositivo optomecânico com um longo tempo de vida óptico e mecânico, ao mesmo tempo em que mantém um grande acoplamento. Neste contexto, as cavidades de cristal fotônico surgiram como fortes candidatas já que elas são capazes de confinar campo óptico em um volume modal muito reduzido e por um longo tempo de vida. No regime clássico, estes pequenos dispositivos, que podem oscilar mecanicamente com frequências de alguns poucos MHz até dezenas de GHz, permitem detectar forças, massas e deslocamentos muito pequenos. Elas também são usadas para produzir osciladores mecânicos de alta qualidade, que podem ser sincronizados por intermédio do campo óptico. No regime quântico, a optomecânica quântica de cavidades tem sido usada para ajudar na compreensão do fenômeno de decoerência em uma escala mesoscópica, criando estados não-clássicos fortemente acoplados entre campo óptico e movimento mecânico, intermediado pela interação optomecânica. Entretanto, até agora, foram realizados poucos estudos sobre a possibilidade de produção destes dispositivos em larga escala, um passo necessário para massivas aplicações tecnológicas e científicas destes dispositivos. Neste trabalho, descrevemos um estudo detalhado de cavidades optomecânicas baseadas em cristais fotônicos produzidos numa fábrica de dispositivos compatíveis com indústria CMOS. Nós demonstramos a viabilidade desta plataforma explorando três geometrias distintas de cristais fotônicos. Primeiramente, nós mostramos como atingir fatores de qualidade muito elevados usando uma geometria consistente com as limitações de fabricação. Nossos fatores de qualidade são os maiores já reportados usando cavidades de cristal fotônico fabricadas com litografia óptica. Em seguida, investigamos uma cavidade do tipo fenda, possibilitando a produção de alto acoplamento optomecânico usando um movimento mecânico planar. Por fim, desenhamos um escudo acústico, com dimensões variadas, para restringir o modo mecânico para dentro da região óptica. Essa estratégia foi usada de forma bem sucedida para produzir altos fatores de qualidade mecânicos e acoplamentos optomecânicos, permitindo a observação de resfriamento e amplificação de modos mecânicos à baixa temperatura / Abstract: The field of cavity optomechanics has experienced a rapid growth in last decade. The increasing interest in this area was mostly driven by the intricate interface between mechanical motion and the optical field. Such coupling is widely explored in a variety of experiments scaling from kilometer long interferometers to micrometer optical cavities. The challenge on all these experiments is to create an optomechanical device with long-living optical and mechanical resonances while keeping a large coupling rate. In this context photonic crystal cavities have emerged as a strong candidate since they are able to produce very small optical mode volume and long optical lifetime. In the classical regime, these tiny devices, which can mechanically oscillate from frequencies ranging from couple MHz up to tens of GHz, allows for highly sensitive small forces, masses, displacements and acceleration detectors. They are also used to produce high quality optically driven mechanical oscillators which can be synchronized via an optical field. In the quantum regime, cavity quantum optomechanics is being used to understand decoherence phenomena in a mesoscopic scale by creating nonclassical states between light and mechanical modes intermediated by optomechanical interaction. However up to now, few studies have been done concerning the possibility of large scale production of these devices, a necessary step towards massive technological and scientific application of these devices. In this work, we describe a detailed study of optomechanical cavities based upon photonic crystal cavities fabricated in a CMOS-compatible commercial foundry. We prove the feasibility of this platform exploring three photonic crystal designs. First, we show how to achieve ultra-high optical quality factors using a design resilient to the fabrication constrains. Our demonstrated quality factors are the largest ever reported using photonic crystal cavities manufactured by optical lithography. Secondly, we investigate a slot type optical cavity, able to produce very large optomechanical coupling using a simple in-plane motion. Finally, we design a trimmable acoustic shield to restrict the mechanical motion inside the optical region. Such strategy was successfully used to produce high mechanical quality factor and optomechanical coupling which enabled the observation of cooling and amplification of mechanical modes at low temperature / Mestrado / Física / Mestre em Física / 2014/12875-4 / 132737/2014-0 / FAPESP / CNPQ

This dissertation aims to investigate systems in which several optical and mechanical degrees of freedom are coupled through optomechanical interactions. Multimode optomechanics creates the prospect of integrated functional devices and it allows us to explore new types of optomechanical interactions which account for collective dynamics and optically mediated mechanical interactions. Owing to the development of fabrication techniques for micro- and nano-sized mechanical elements, macroscopic mechanical oscillators can be cooled to the deep quantum regime via optomechanical interaction. Based on the possibility to control the motion of mechanical oscillators at the quantum level, we design several schemes involving mechanical systems of macroscopic length and mass scales and we explore the nonlinear dynamics of mechanical oscillators. The first scheme includes a quantum cantilever coupled to a classical tuning fork via magnetic dipole-dipole interaction and also coupled to a single optical field mode via optomechanical interaction. We investigate the generation of nonclassical squeezed states in the quantum cantilever and their detection by transferring them to the optical field. The second scheme involves a quantum membrane coupled to two optical modes via optomechanical interaction. We explore dynamic stabilization of an unstable position of a quantum mechanical oscillator via modulation of the optical fields. We then develop a general formalism to fully describe cavity mediated mechanical interactions. We explore a rather general configuration in which multiple mechanical oscillators interact with a single cavity field mode. We specifically consider the situation in which the cavity dissipation is the dominant source of damping so that the cavity field follows the dynamics of the mechanical modes. In particular, we study two limiting regimes with specific applications: the weak-coupling regime and single-photon strong-coupling regime. In the weak-coupling regime, we build a protocol for quantum state transfer between mechanical modes. In the single-photon coupling regime, we investigate the nonlinear nature of the mechanical system which generates bistability and bifurcation in the classical analysis and we also explore how these features manifest themselves in interference, entanglement, and correlation in the quantum theory.

Part I of this thesis is concerned with cavity optomechanical systems subject to periodic driving. We develop a Floquet approach to solve time-periodic quantum Langevin equations in the steady state, show that two-time correlation functions of system operators can be expanded in a Fourier series, and derive a generalized Wiener-Khinchin theorem that relates the Fourier transform of the autocorrelator to the noise spectrum. Weapply our framework to optomechanical systems driven with two tones. In a setting used to prepare mechanical resonators in quantum squeezed states, we nd and study the general solution in the rotating-wave approximation. In the following chapter, we show that our technique reveals an exact analytical solution of the explicitly time-periodic quantum Langevin equation describing the dual-tone backaction-evading measurement of a single mechanical oscillator quadrature due to Braginsky, Vorontsov, and Thorne [Science 209, 547 (1980)] beyond the commonly used rotating-wave approximation and show that our solution can be generalized to a wide class of systems, including to dissipatively or parametrically squeezed oscillators, as well as recent two-mode backaction-evading measurements. In Part II, we study nonreciprocal optomechanical systems with several optical and mechanical modes. We show that an optomechanical plaquette with two cavity modes coupled to two mechanical modes is a versatile system in which isolators, quantum-limited phase-preserving, and phase-sensitive directional ampliers for microwave signals can be realized. We discuss the noise added by such devices, and derive isolation bandwidth, gain bandwidth, and gain-bandwidth product, paving the way toward exible, integrated nonreciprocal microwave ampliers. Finally, we show that similar techniques can be exploited for current rectication in double quantum dots, thereby introducing fermionic reservoir engineering. We verify our prediction with a weak-coupling quantum master equation and the exact solution. Directionality is attained through the interference of coherent and dissipative coupling. The relative phase is tuned with an external magnetic eld, such that directionality can be reversed, as well as turned on and off dynamically.

Orientador: Gustavo Silva Wiederhecker / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-02T10:33:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Luiz_GustavoDeOliveira_D.pdf: 5507367 bytes, checksum: 506db63a5a93a33d67a84dbb1f7b33ce (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Nas últimas décadas a optomecânica de microcavidades chamou a atenção de cientistas e engenheiros, que encontraram na interação entre luz e ondas acústicas aplicações que variam de sensores de massa com resolução atômica, até a preparação de estados quânticos de osciladores harmônicos mesoscópicos, passando por simuladores quânticos, filtros ópticos controláveis opticamente, criação de estados topológicos para luz e fônons, apenas citando alguns exemplos. Apesar das diversas demonstrações de vários dispositivos, sendo discos e cristais fotônicos os formatos mais comuns, há ainda um grande esforço no sentido de aperfeiçoá-los reduzindo perdas ópticas e mecânicas e suprimindo outros fenômenos de óptica não-linear, como absorção de dois fótons, que podem impedir seu funcionamento apropriado. Como ressonadores ópticos e mecânicos tipicamente compartilham a mesma estrutura nestes dispositivos, seus projetos são acoplados, dificultando o aprimoramento independente de cada um. Nesta tese usamos dispositivos optomecânicos de campo próximo, cuja interação entre modos mecânicos e ópticos se dá através do campo evanescente do último, para desacoplar o projeto mecânico do óptico, o que nos permitiu estudar a otimização do ressonador mecânico sem qualquer efeito sobre a cavidade óptica. Com um ressonador mecânico de silício composto por dois osciladores acoplados, pudemos demonstrar que o correto equilíbrio das massas de cada oscilador é um método simples e eficiente para suprimir as perdas devido à radiação de energia mecânica para o substrato na escala de frequência de 50 MHz. Este processo permitiu que fatores de qualidade limitados por perdas relacionadas ao material e à superfície, da ordem de 10 mil à temperatura ambiente e de 50 mil a aproximadamente 25 K, fossem obtidos. Também observamos nestes dispositivos o fenômeno de auto-pulsação, que apresenta uma dinâmica própria tão interessante quanto a optomecânica, apesar de impedir a operação apropriada dos osciladores optomecânicos. Estudamos este fenômeno separadamente e demonstramos que estes pulsos, ocorrendo em duas cavidades ópticas acopladas por seus campos evanescentes, podem sincronizar com o campo óptico sendo o único intermediador. Ambas as demonstrações têm implicações importantes, abrindo caminho para o desenvolvimento de novas plataformas de interesse tanto científico quanto tecnológico, como estruturas para o estudo de estados topológicos para a luz e para ondas acústicas e geradores de sinal de radio-frequência de alto desempenho. Além disso, os dispositivos foram todos produzidos em uma fábrica comercial, o que também demonstra que sua fabricação está pronta para ser escalada para produção em massa / Abstract: Cavity optomechanics in the micro-scale has attracted the attention of scientists and engineers on the last few decades, who encountered applications to the interaction of light and acoustic waves ranging from atomic resolution mass sensors to the preparation of quantum states of mesoscopic harmonic oscillators, passing by quantum simulators, optically controllable optical filters, formation of topological states for both photons and phonons, just to mention a few examples. Although various devices have been demonstrated, with disks and photonics crystals being the most common designs, there is still a large effort to improve them by reducing optical and mechanical losses and suppressing other non-linear phenomena, such as two-photon absorption, that may affect their proper operation. Because optical and mechanical resonators typically share the same structure in these devices, their designs are coupled, which complicates the independent improvement of each one. In this thesis we used near-field optomechanical devices, whose mechanical modes interact with the optical through the latter¿s evanescent field, to decouple the mechanical design from the optical, what allowed us to focus all attention on the mechanical resonator. With a silicon mechanical resonator composed of two coupled oscillators, we could demonstrate that the correct balance of the masses of the oscillators is an efficient and simple way to suppress losses due to energy radiation to the substrate at the 50 MHz frequency range. This strategy led to material and surface limited quality factors close to 10k at room temperature and 50k at approximately 25 K. We also observed the phenomenon of self-pulsing in these devices, which presents dynamics as interesting as the optomechanical interactions do, in spite of being a problem for the proper operation of the optomechanical devices. We studied this phenomenon separately and demonstrated that these pulses, when occurring in two evanescently coupled optical cavities, may synchronize with the optical field being the sole intermediary. These two demonstrations have important implications, paving the way for new platforms of scientific and technological interest, such as structures for the study of topological states for both light and acoustic weaves as well as high efficiency radio-frequency signal generators. Moreover, these devices were all fabricated in a commercial foundry, which also demonstrates that the fabrication of such technology is ready to be scaled up to mass production / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 153044/2013-6 / CNPQ