Synchronizing the dynamics of a single NV spin qubit on a parametrically coupled radio-frequency field through microwave dressing

A hybrid spin-oscillator system in parametric interaction is experimentally emulated using a single NV spin qubit immersed in a radio frequency (RF) field and probed with a quasi resonant microwave (MW) field. We report on the MW mediated locking of the NV spin dynamics onto the RF field, appearing when the MW driven Rabi precession frequency approaches the RF frequency and for sufficiently large RF amplitudes. These signatures are analog to a phononic Mollow triplet in the MW rotating frame for the parametric interaction and promise to have impact in spin-dependent force detection strategies

Nano-optomechanical measurement in the photon counting regime

Optically measuring in the photon counting regime is a recurrent challenge in modern physics and a guarantee to develop weakly invasive probes. Here we investigate this idea on a hybrid nano-optomechanical system composed of a nanowire hybridized to a single Nitrogen-Vacancy (NV) defect. The vibrations of the nanoresonator grant a spatial degree of freedom to the quantum emitter and the photon emission event can now vary in space and time. We investigate how the nanomotion is encoded on the detected photon statistics and explore their spatio-temporal correlation properties. This allows a quantitative measurement of the vibrations of the nanomechanical oscillator at unprecedentedly low light intensities in the photon counting regime when less than one photon is detected per oscillation period, where standard detectors are dark-noise-limited. These results have implications for probing weakly interacting nanoresonators, for low temperature experiments and for investigating single moving markers

Dynamically-enhanced strain in atomically thin resonators

Graphene and related two-dimensional (2D) materials associate remarkable mechanical, electronic, optical and phononic properties. As such, 2D materials are promising for hybrid systems that couple their elementary excitations (excitons, phonons) to their macroscopic mechanical modes. These built-in systems may yield enhanced strain-mediated coupling compared to bulkier architectures, e.g., comprising a single quantum emitter coupled to a nano-mechanical resonator. Here, using micro-Raman spectroscopy on pristine monolayer graphene drums, we demonstrate that the macroscopic flexural vibrations of graphene induce dynamical optical phonon softening. This softening is an unambiguous fingerprint of dynamically-induced tensile strain that reaches values up to ≈4 × 10−4 under strong non-linear driving. Such non-linearly enhanced strain exceeds the values predicted for harmonic vibrations with the same root mean square (RMS) amplitude by more than one order of magnitude. Our work holds promise for dynamical strain engineering and dynamical strain-mediated control of light-matter interactions in 2D materials and related heterostructures

Inducing micromechanical motion by optical excitation of a single quantum dot

Hybrid quantum optomechanical systems1 interface a macroscopic mechanical degree of freedom with a single two-level system such as a single spin2–4, a superconducting qubit5–7 or a single optical emitter8–12. Recently, hybrid systems operating in the microwave domain have witnessed impressive progress13,14. Concurrently, only a few experimental approaches have successfully addressed hybrid systems in the optical domain, demonstrating that macroscopic motion can modulate the two-level system transition energy9,10,15. However, the reciprocal effect, corresponding to the backaction of a single quantum system on a macroscopic mechanical resonator, has remained elusive. In contrast to an optical cavity, a two-level system operates with no more than a single energy quantum. Hence, it requires a much stronger hybrid coupling rate compared to cavity optomechanical systems1,16. Here, we build on the large strain coupling between an oscillating microwire and a single embedded quantum dot9. We resonantly drive the quantum dot’s exciton using a laser modulated at the mechanical frequency. State-dependent strain then results in a time-dependent mechanical force that actuates microwire motion. This force is almost three orders of magnitude larger than the radiation pressure produced by the photon flux interacting with the quantum dot. In principle, the state-dependent force could constitute a strategy to coherently encode the quantum dot quantum state onto a mechanical degree of freedom1

Large expert-curated database for benchmarking document similarity detection in biomedical literature search

Document recommendation systems for locating relevant literature have mostly relied on methods developed a decade ago. This is largely due to the lack of a large offline gold-standard benchmark of relevant documents that cover a variety of research fields such that newly developed literature search techniques can be compared, improved and translated into practice. To overcome this bottleneck, we have established the RElevant LIterature SearcH consortium consisting of more than 1500 scientists from 84 countries, who have collectively annotated the relevance of over 180 000 PubMed-listed articles with regard to their respective seed (input) article/s. The majority of annotations were contributed by highly experienced, original authors of the seed articles. The collected data cover 76% of all unique PubMed Medical Subject Headings descriptors. No systematic biases were observed across different experience levels, research fields or time spent on annotations. More importantly, annotations of the same document pairs contributed by different scientists were highly concordant. We further show that the three representative baseline methods used to generate recommended articles for evaluation (Okapi Best Matching 25, Term Frequency-Inverse Document Frequency and PubMed Related Articles) had similar overall performances. Additionally, we found that these methods each tend to produce distinct collections of recommended articles, suggesting that a hybrid method may be required to completely capture all relevant articles. The established database server located at https://relishdb.ict.griffith.edu.au is freely available for the downloading of annotation data and the blind testing of new methods. We expect that this benchmark will be useful for stimulating the development of new powerful techniques for title and title/abstract-based search engines for relevant articles in biomedical research.Peer reviewe

Etude des effets de pression de radiation et des limites quantiques du couplage optomécanique

En mécanique quantique, toute mesure est responsable d'une action en retour sur le système mesuré, qui limite en général la sensibilité de la mesure. Il en est ainsi dans les mesures interférométriques, où les miroirs de l'interféromètre sont susceptibles de se déplacer sous l'effet de la pression de radiation exercée par la lumière. Ceci provoque un bruit supplémentaire dans la mesure de longueur des bras de l'interféromètre et conduit à l'existence d'une limite quantique pour la sensibilité de la mesure. Ces effets produisent également des corrélations entre l'intensité de la lumière et le mouvement du miroir, qui pourraient être mises à profit en optique quantique. Nous avons développé une expérience destinée à l'étude des bruits dans les mesures interférométriques ultrasensibles, qu'ils soient d'origine classique comme le bruit thermique des miroirs, ou bien d'origine plus fondamentale, comme le bruit quantique de la pression de radiation, qui n a encore jamais été mis en évidence à ce jour. L'expérience est basée sur une cavité Fabry-Pérot de grande finesse, dans laquelle les déplacements du miroir sont mesurés à un niveau meilleur que l'attomètre en détectant les variations de phase du faisceau réfléchi par la cavité. Nous présentons l'ensemble des améliorations que nous avons apportées à notre système, destinées avant tout à favoriser le bruit quantique de pression de radiation par rapport au bruit thermique, ainsi que les importants ajustements de notre dispositif qui ont eux-mêmes découlé de ces améliorations. Pour pouvoir atteindre cet objectif, nous avons suivi trois stratégies en parallèle: nous avons tenté de diminuer la force thermique de Langevin en installant un cryostat fonctionnant à 4 K, nous avons amélioré les propriétés mécaniques de notre résonateur de manière à ce qu'il réponde plus favorablement à la pression de radiation, et nous avons enfin augmenté l'amplitude des effets de pression de radiation, en améliorant la finesse de la cavité. Ces améliorations nous ont permis d obtenir un fonctionnement cryogénique mécaniquement stable à une température se situant vraisemblablement autour de la dizaine de Kelvin, mais elles ont surtout permis l obtention de facteurs de qualité mécaniques de l ordre de 800000, et des masses de l ordre de quelques dizaines de milligrammes, de concert avec une finesse record de 330000, ce qui correspond à une amélioration du rapport entre les effets de pression de radiation et les effets thermiques de plus de deux ordres de grandeur comparativement à nos précédentes cavités à miroir mobile.Nous avons présenté une étude détaillée des effets optomécaniques de la pression de radiation, d'abord théorique, puis expérimentale. La particularité de notre approche est la prise en compte de la nature multimode de notre résonateur, dont nous avons présenté les conséquences sur la mise en évidence de l'action en retour, ainsi que sur la sensibilité de la mesure. Nous avons ensuite présenté l'étude expérimentale de la réponse spectrale du mode fondamental Gaussien de notre résonateur plan-convexe à une force de pression de radiation, qui nous a permis de valider notre approche théorique, ainsi que de préciser les conditions les plus favorables à la mise en évidence des corrélations optomécaniques quantiques. Nous avons également démontré expérimentalement qu'il était possible de profiter de la nature multimode de nos miroirs pour améliorer la sensibilité de la mesure. Enfin, nous avons présenté une étude des corrélations optomécaniques au niveau classique entre l intensité d un faisceau signal et la phase d un faisceau de mesure, que nous avons réalisée à l'aide de bruits d'intensité arbitraires, construits pour être aussi semblables que possible au bruit quantique, bien qu'ayant une puissance spectrale beaucoup plus grande.Nous avons étudié en détails les conditions expérimentales limitant l'observation des corrélations quantiques lorsque l'on se trouve en régime thermique. Nous avons tout d'abord présenté une technique de moyennage permettant de mettre en évidence les déplacements induits par un bruit de pression de radiation arbitraire et périodique, dont la densité spectrale faible devant celle du bruit thermique. Nous avons ensuite expliqué comment il est possible d'étendre cette technique de moyennage au cas du bruit quantique de pression de radiation, en nous intéressant tout particulièrement à la durée de moyennage nécessaire pour pouvoir extraire les corrélations avec une précision suffisante, et nous avons illustré expérimentalement les concepts proposés, toujours à l'aide d'un bruit de pression de radiation classique. Nous avons ensuite vu que la durée du moyennage n'était pas la seule limitation expérimentale à l'observation des corrélations quantiques, mais que l'existence de pertes optiques dans la cavité peuvent être à l'origine d'une contamination de la quadrature d'intensité du champ réfléchi par les fluctuations de position du miroir, qui induisent des conditions très fortes sur la qualité de l'asservissement de la fréquence du laser sur la résonance optique. Nous avons explicité ces conditions dans le cas de corrélations mesurées à résonance mécanique et hors résonance mécanique, et nous avons terminé par la mise en évidence expérimentale de ce phénomène de contamination.Nous avons consacré la dernière partie de ce manuscrit à une étude du couplage optomécanique dans une cavité désaccordée. Nous avons tout d'abord présenté une description théorique des effets de pression de radiation dans une cavité désaccordée, également appelés "action en retour dynamique", dont nous avons vu qu'ils se décomposaient en deux contributions, l'une dissipative, et l'autre conservative. Nous avons illustré expérimentalement des applications de chacune de ces contributions: nous avons d'abord présenté une démonstration de refroidissement passif de notre résonateur plan-convexe, puis nous avons montré qu'il était possible d'utiliser la contribution conservative de l'action en retour dynamique afin d amplifier une variation de longueur apparente de la cavité, c'est-à-dire une variation de longueur indépendante de la réponse mécanique du miroir mobile, comme en génère par exemple une onde gravitationnelle. Nous démontrons également que cet effet d amplification peut être associé dans certaines conditions à une amélioration de la sensibilité de la mesure. Nous avons ainsi démontré expérimentalement une amplification d un facteur 6 sur un signal consistant en une modulation de fréquence du laser. Nous avons également démontré que cette amplification est associée à une amélioration de la sensibilité de 5 dB par rapport à la limite quantique standard.PARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Stabilization of a linear nanomechanical oscillator to its thermodynamic limit

The rapid development of micro- and nanomechanical oscillators in the past decade has led to the emergence of novel devices and sensors that are opening new frontiers in both applied and fundamental science. The potential of these devices is however affected by their increased sensitivity to external perturbations. Here we report a non-perturbative opto-mechanical stabilization technique and apply the method to stabilize a linear nanomechanical beam at its thermodynamic limit at room temperature. The reported ability to stabilize a nanomechanical oscillator to the thermodynamic limit can be extended to a variety of systems and increases the sensitivity range of nanomechanical sensors in both fundamental and applied studies

Design of Quantum Dot-Nanowire Single-Photon Sources that are Immune to Thermomechanical Decoherence

International audienceNanowire antennas embedding a single quantum dot (QD) have recently emerged as versatile platforms to realize bright sources of quantum light. In this theoretical work, we show that the thermally driven, low-frequency vibrations of the nanowire have a major impact on the QD light emission spectrum. Even at liquid helium temperatures, these prevent the emission of indistinguishable photons. To overcome this intrinsic limitation, we propose three designs that restore photon indistinguishability thanks to a specific engineering of the mechanical properties of the nanowire. We anticipate that such a mechanical optimization will also play a key role in the development of other high-performance light-matter interfaces based on nanostructures