Nonlinear dissipation phenomena in optomechanics

Abstract

Yksikään kvanttisysteemi ei voi olla täysin eristetty ympäristöstään, mikä johtaa informaation välittymiseen systeemin ja ympäristön välillä.

Optomekaniikassa, missä tyypillinen tutkittava systeemi on peileistä koostuva optinen kaviteetti yhdistettynä mekaaniseen värähtelijään, systeemin ja ympäristön lineaarisesta kytkennästä johtuvat dissipaatioilmiöt ovat hyvin tunnettuja. Epälineaarisia ilmiöitä ei kuitenkaan ymmärretä yhtä laajasti.

Tutkin epälineaarista kytkentää kaviteetin ja lämpökylvyn välillä ja havainnollistan tästä kytkennästä johtuvia ilmiöitä kuten epälineaarista dissipaatiota. Esitän myös optisen kaviteetin epälineaarisen dissipaation oikeuttavan mallin, missä optinen kaviteetti ja lämpökylpy vuorovaikuttavat kaksitilasysteemien kanssa.

Antaakseni tämän työn tuloksille kontekstia, sisällytän pohjustavat katsaukset optomekaniikkaan, avoimiin kvanttisysteemeihin ja kaksitilasysteemeihin sekä näiden aihealueiden tutkimiseen käytettäviin menetelmiin. Esitän myös esimerkkilaskuja yksinkertaistetuista malleista ja lisäksi johdan kaikki tässä työssä käytetyt menetelmät mahdollisimman pedagogisen lähesymistavan saavuttamiseksi.

A quantum system cannot be completely isolated from its environment, meaning that information is transmitted between them.

In optomechanics, where a typical system under study is an optical cavity consisting of highly reflective mirrors coupled with a mechanical resonator, dissipation phenomena related to linear system-environment coupling are well known. However, nonlinear phenomena are not understood to the same extent.

I consider a nonlinear coupling between a cavity and a heat bath, and illustrate the effects of this coupling such as nonlinear dissipation of the cavity. I also propose a model, where an optical cavity and a heat bath interact with two-level systems, justifying nonlinear dissipation for the optical cavity.

To give some context to the results of this work, I include introductory reviews of optomechanics, open quantum systems, and two-level systems together with the methods used to study these topics. I also provide some calculations of simplified setups as well as full derivations of the methods used in this work for a more pedagogical approach.