Optomechanical Simulations for Optimizing Spin-Phonon-Photon Coupling in a Silicon Nanobeam

Abstract

In optomechanical systems, the light is utilized to measure tiny mechanical displacements of matter. Creating a confined electric inside an optical cavity makes small fluctuations in a mechanical system visible. This property can be taken advantage of when measuring the state of a quantum system, such as an electron's spin. In this thesis, we investigated the geometric design of a photonic crystal silicon nanobeam working as a quantum transducer between donor spins, phonons, and photons. The photonic crystal nanobeam combines an optical cavity with a mechanical oscillator, so that their resonance frequencies can be coupled via strain to a spin state of a donor atom in a magnetic field. The nanobeam was optimized with simulations using electromagnetic and mechanical FEM eigenfrequency solvers in COMSOL Multiphysics software. We optimized the coupling using a width tapered nanobeam design. We reached an optomechanical coupling of a few MHz with optical frequencies around 200 THz, as well as a spin-strain coupling around 100 Hz for a phosphorus donor in a magnetic field of 1 T. The optimized coupling strengths suggest that coupling spins via mechanical strain of the nanobeam is not feasible for optical single spin measurements with the current fabrication limitations but can be used for bulk spin measurements. Furthermore, the designed nanobeam can be utilized for displacement measurements near the zero-point energy of the nanobeam.

Optomekaaniset laitteet hyödyntävät valon ominaisuuksia todella pienten mekaanisten värähtelyjen mittaamiseen. Peilien muodostamilla optisilla kaviteeteilla mekaaniset värähtelyt on mahdollista saada näkyviksi. Tätä ominaisuutta voidaan hyödyntää pienten kvanttisysteemien kuten elektronin spin-tilan mittaamiseen. Tässä tutkielmassa suunniteltiin ja optimoitiin fotonikiteisen piinanopalkin geometria. Nanopalkissa yhdistyvät optinen kaviteetti, mekaaninen värähtelijä, sekä piihin implantoitujen donoriatomien spin-systeemi, joiden kytkentä eli tilojen riippuvuus toisistaan yritettiin optimoida. Tällöin nanopalkki toimisi kvanttisensorina ja -muuntimena valon fotonien ja elektronin spin-tilan välillä. Optimointi tehtiin simuloimalla nanopalkin mekaanisia ja sähkökentän resonanssitaajuuksia elementtimetodilla COMSOL Multiphysics -ohjelmistossa. Optimoinnissa päädyttiin nanopalkin keskeltä ohennettuun geometriaan, jolla saavutettiin muutaman MHz suuruinen optomekaaninen kytkentä 200 THz valon taajuuksilla ja 100 Hz suuruinen spin-venymä-kytkentä 1 T magneettikentässä. Simuloitu spin-venymä-kytkentä ei ollut tarpeeksi suuri yksittäisen donoriatomin spin-tilan mittaamiseen, mutta spin-kytkentää voidaan vahvistaa useammalla donoriatomilla. Optomekaaninen kytkentä oli riittävä mekaanisten värähtelyjen mittaamiseen lähellä nanopalkin nollapiste-energiaa.