High precision measurements of magnetic fields and synchronization in optomechanical cavities

Abstract

Els dispositius basats en ressonadors mecànics són un dels més fonamentals i omnipresents sistemes físics a totes les escales. Juguen un paper fonamental en el processament de senyals de ràdio i en sensors de magnituds físiques. En les últimes dècades, s'han realitzat esforços en investigar diferents possibles maneres de manipular, acoblar i llegir el moviment del ressonador. A escala micro i nanomètrica, el primer intent tecnològic va ser acoblar els ressonadors mecànics amb circuits elèctrics. Recentment, s'ha investigat l'ús de radiació electromagnètica per controlar la mecànica. Aquest camp, anomenat Optomecànica, ha estat útil per investigar problemes com el comportament quàntic d'objectes massius o experiments relacionats amb informació quàntica. Molts d'aquests experiments requereixen que el ressonador mecànic es trobi en el seu estat de més baixa energia, conegut com a estat fonamental. Aquest estat només accessible a temperatures criogèniques, i suposen un esforç extra en l'àmbit tecnològic i dificultat. L'objectiu de la meva tesi és desvetllar altres aspectes importants que sorgeixen a conseqüència d'acoblar llum a objectes mecànics sense necessitar que el ressonador operi a l'estat fonamental. En particular, discutiré dos experiments realitzats a temperatura ambient i enfocats a aplicar l'optomecànica a desafiaments tecnològics. El primer experiment està relacionat amb l'habilitat dels sistemes optomecànics per detectar petites forces aplicades sobre ressonadors mecànics. En l'experiment, fem servir una esfera optomecànica de mida micromètrica com a sensor de forces induïdes per camps magnètics ultrabaixos. La força és produïda per un fenomen ressonant que involucra magnons i fonons en un material ferromagnètic. El mínim camp magnètic capaç de ser detectat és de 850 picoTesla amb una amplada de banda de 100 kHz. A més, la capacitat de sintonitzar la resposta en freqüència del magnetòmetre ofereix la possibilitat de detectar camps magnètics en un rang dinàmic de fins a 1.1 GHz. Aquest dispositiu suposa una prova de concepte que obre un nou ventall de possibilitats de desenvolupar magnetòmetres optomecànics d'ultra alta sensibilitat, la qual cosa és crucial en múltiples àrees com la geologia, sistemes d'imatges mèdica, o defensa. El segon experiment que es discuteix en aquesta tesi descriu un desafiament fonamental en la física de nanoescala, com ho és la sincronització de vidres optomecànicas connectades per un acoblament feble de tipus mecànic. Vam demostrar que explotant la interacció mecànica i les propietats no lineals de la llum, podem modificar estratègicament l'estat dinàmic dels oscil·ladors. Observem que els vidres optomecànics acaben oscil·lant individualment en un estat coherent, d'alta amplitud i autosostinguda. També vam demostrar experimentalment que el sistema evoluciona a un règim on els dos oscil·ladors acaben sincronitzats en oposició de fase. Els resultats d'aquests experiments podrien crear un precedent per establir un sistema de comunicacions de poc soroll entre sistemes optomecànics.

Los dispositivos basados en resonadores mecánicos son uno de los más fundamentales e omnipresentes sistemas físicos a todas las escalas. Juegan un papel fundamental en el procesamiento de señales de radio y en sensores de magnitudes físicas. En las últimas décadas, se han realizado esfuerzos en investigar distintas posibles maneras de manipular, acoplar y leer el movimiento del resonador. A escala micro y nanométrica, la primera intento tecnológico fue acoplar las resonadores mecánicos con circuitos eléctricos. Recientemente, se ha investigado el uso de radiación electromagnética para controlar la mecánica. Este campo, llamado Optomecánica, ha sido útil para investigar problemas como el comportamiento cuántico de objetos masivos o experimentos relacionados con información cuántica. Muchos de estos experimentos requieren que el resonador mecánico se encuentre en su estado de más baja energía, conocido como estado fundamental. Este estado solo es accesible a temperaturas criogénicas, y suponen un esfuerzo extra a nivel tecnológico y dificultad. El objetivo de mi tesis es desvelar otros aspectos importantes que surgen a consecuencia de acoplar luz a objetos mecánicos sin necesitar que el resonador opere en el estado fundamental. En particular, discutiré dos experimentos realizados a temperatura ambiente y enfocados en aplicar la optomecánica a desafíos tecnológicos.

El primer experimento está relacionado con la habilidad de los sistemas optomecánicos para detectar pequeñas fuerzas aplicadas sobre resonadores mecánicos. En el experimento, usamos una esfera optomecánica de tamaño micrométrico como sensor de fuerzas inducidas por campos magnéticos ultra-bajos. La fuerza es producida por un fenómeno resonante que involucra magnones y fonones en un material ferromagnético. El mínimo campo magnético capaz de ser detectado es de 850 pico-Tesla con un ancho de banda de 100 kHz. Además, la capacidad de sintonizar la respuesta en frecuencia del magnetómetro ofrece la posibilidad de detectar campos magnéticos en un rango dinámico de hasta 1.1 GHz. Este dispositivo supone una prueba de concepto que abre un nuevo abanico de posibilidades de desarrollar magnetómetros optomecánicos de ultra alta sensibilidad, lo cual es crucial en múltiples áreas como la geología, sistemas de imágenes médica, o defensa.

El segundo experimento que se discute en esta tesis describe un desafío fundamental en la física de nanoescala, como lo es la sincronización de cristales optomecánicas conectadas por un acoplamiento débil de tipo mecánico. Demostramos que explotando la interacción mecánica y las propiedades no lineales de la luz, podemos modificar estratégicamente el estado dinámico de los osciladores. Observamos que los cristales optomecánicos terminan oscilando individualmente en un estado coherente, de alta amplitud y auto-sostenida. También demostramos experimentalmente que el sistema evoluciona a un régimen donde los dos osciladores terminan sincronizados en oposición de fase. Los resultados de estos experimentos podrían sentar un precedente para establecer un sistema de comunicaciones de poco ruido entre sistemas optomecánicos.

Mechanical resonators are one of the most fundamental and omnipresent physical systems at all scales. They play a substantial role in radio-signal processing and sensing. In the last decades, efforts have been made toward the investigation of different approaches to control, to couple, and to read out their motion. At the micrometre- and nanometre-scale, the first approach that emerged was to couple mechanical structures to electrical circuits. More recently, researchers have investigated the use of electromagnetic radiation to control and probe mechanical elements. This field, called Optomechanics, has been used to explore fundamental physics problems like testing quantum mechanics on heavy mass structures or for quantum information processing. Many of these experiments require the mechanical resonator at the ground state of motion, but this can only happen at extremely low temperatures and under very specific conditions. My thesis aim is to unravel other important aspects of coupling light to mechanical objects that do not require to operate at the ground state. In particular, I will discuss two experiments performed at room temperature focused on applying optomechanics to technological challenges.

The first experiment is related to the ability of optomechanical systems to detect small forces applied to a mechanical resonator. We employ a microsphere optomechanical sensor to detect the force induced by an extremely small magnetic field. The force is produced by a resonant phenomena that involve magnons and phonons on ferromagnetic material. The magnetic field sensor is characterized by a pico-Tesla peak sensitivity with a bandwidth of 100 kHz. Also, the tunability of the frequency response rises the device frequency operation up to a dynamical range of 1.1 GHz. This device is a proof of concept that opens a window to develop ultra-high sensitive optomechanical magnetometers, which is crucial in many areas covering geology, medical imaging systems, or defense.

The second experiment of this thesis describes a fundamental challenge of nanoscale physics that is the synchronization of two optomechanical cavities connected by a weak coupling. We show that exploiting the interaction between the mechanical elements and the nonlinearity of the light field, we can strategically modify the dynamical state of the oscillators. We show that the nanobeams are individually oscillating in a coherent, high amplitude and sustained state. We also experimentally demonstrate that the system evolves to a regime where the two oscillators are fully synchronized in anti-phase. The results of this experiment could be setting a base for low-noise communications between optomechanical devices.