CPB 中国物理B 2026年5月31日 10:00 北京 听全文

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Sympathetic cooling of levitated optomechanics through nonreciprocal coupling

Jialin Li(李佳霖), Guangyu Zhang(张光宇), and Zhang-Qi Yin(尹璋琦)

Chin. Phys. B, 2026, 35 (5): 053701

文章亮点介绍

悬浮光力学系统因其中粒子与环境的隔离度高，成为探索宏观量子现象与实现超高精度传感的理想平台。然而，不论腔边带冷却还是反馈冷却，其冷却效率都受到腔耗散、光子反冲噪声和环境热噪声等制约，使得粒子难以接近量子基态。这种“冷却极限”很大程度上阻碍了悬浮光力学在量子领域的进一步发展。针对这一长期存在的难题，本文提出了一种新颖的非互易耦合协同冷却机制，在该方案中，仅将一个辅助粒子直接与光腔耦合并被冷却，而目标粒子则通过非互易机械相互作用实现间接冷却。通过引入非互易耦合系数并构造非厄米哈密顿量，能量可以定向地从目标粒子流向辅助粒子，从而打破传统方案中冷却与加热过程的细致平衡，获得超越传统冷却极限的冷却效果。 本文从解析与数值两个层面系统研究了该非互易冷却机制。理论推导给出了粒子稳态声子数的解析表达式，数值模拟动态验证了定向能量输运过程。解析与数值结果均表明，增大非互易耦合参数（用于定量表征非互易程度）可显著提升冷却效率，在最优参数条件下，目标粒子的稳态声子数相比传统腔冷却极限可降低约80%。这一工作将非厄米物理与悬浮光力学冷却问题深度结合，揭示了一种不依赖于高精细腔而是依靠定向能量流驱动的冷却机理，并验证了其冷却效率方面的优势，同时为构建可扩展的光力学冷却网络、实现可控人工热流以及研究非平衡多体动力学提供了新的理论工具，有望推动悬浮光力学系统走向更高效的量子控制与精密测量应用。

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Fig. 1.(a) Schematic diagram of the nonreciprocal optomechanical cooling system. Particle A (shown in red) is optically trapped inside the cavity (shown in green) and coupled to the cavity mode through radiation pressure, while particle B (shown in blue) is levitated outside the cavity. Each particle supports a quantized harmonic mode with frequencies ωa and ωb, respectively. The coupling strengths are defined as g_ba = g₁ + g₂ (from particle B to A) and g_ab = g₁ − g₂ (from particle A to B). When g_ba ≠ g_ab, nonreciprocal coupling is realized. (b) Illustration of the nonreciprocal coupling between particles A and B and their mechanical dissipation processes. The parameters κ_a and κ_b represent the mechanical damping rates of particles A and B, respectively, arising from their coupling to the thermal environment.

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