Novel regimes of quantum optomechanics

In everyday life the impact of light on the motion of mechanical objects is negligible. However, modern experiments making use of high quality optical resonators are able to observe significant effects originating from the forces associated with photons on small mechanical systems. The common feature of these systems is the dependence of the optical resonance frequency on the position of the mechanical object, laying the framework of optomechanics. Many interesting regimes have been explored which allow for photon-light entanglement, laser cooling of motion, generation of squeezed states of light, and even the detection of gravitational waves. Interestingly, the optomechanical interaction is so generic that its underlying concepts and derived insights can be generally applied to a large variety of systems, as we will see in this thesis. In Chapter 1, we provide a brief overview of key concepts and results from the field of optomechanics, before going on to discuss the novel regimes and applications that we have identified and proposed. In Chapter 2, we theoretically investigate results from a couple of experiments, that were previously not well-understood. These experiments trap dielectric nano-particles through an optical resonator mode and observe that the intensities experienced by the particles are strongly reduced compared to a conventional optical tweezer trap. We find that these systems can be fully described by a simple optomechanical toy model and derive that the optical potential inside resonators can approach a nearly perfect square well. This potential can be dynamically reshaped by changing the driving laser frequency and we find a dramatic reduction of intensities seen by the trapped particle, which could significantly increase the range of systems to which optical trapping can be applied. These results are quite remarkable and should have important implications for future trapping technologies. In Chapter 3, we recognize that a major trend within the field of cavity QED is to attain the strong coupling regime. Additional rich dynamics can occur by considering the atomic motional degree of freedom. In particular, we show that such a system is a natural candidate to explore the single-photon optomechanical strong coupling regime of quantum optomechanics, but where the motional frequency cannot be resolved by the cavity. We show that this regime can result in a number of remarkable phenomena, such as strong entanglement between the atomic wave-function and the scattering properties of single incident photons, or an anomalous heating mechanism of atomic motion. In Chapter 4 we show that an atom trapped in and coupled to a cavity constitutes an attractive platform for realizing the optomechanical single-photon strong coupling regime with resolved mechanical sidebands. Realizing this regime is a major goal within the field of optomechanics, as it would enable the deterministic generation of non-classical states of light. However, this regime is difficult to achieve with conventional mechanical systems due to their small zero-point motions. As an example, we show that optomechanically-induced photon blockade can be realized in realistic setups, wherein non-classical light is generated due to the interaction of photons with the atomic motion alone.En la vida cotidiana, el impacto de la luz sobre el movimiento de los objetos mecánicos es insignificante. Sin embargo, los experimentos modernos que usan resonadores ópticos de alta calidad son capaces de observar efectos significativos que se originan de las fuerzas asociadas con los fotones en pequeños sistemas mecánicos. La característica común de estos sistemas es la dependencia de la frecuencia de resonancia óptica en la posición del objeto mecánico, que establece el campo de la optomecánica. Se han explorado muchos regímenes interesantes que permiten el entrelazamiento de fotones, el enfriamiento del movimiento por láser, la generación de estados de luz comprimidos e incluso la detección de ondas gravitacionales. Curiosamente, la interacción optomecánica es tan genérica que sus conceptos subyacentes y sus profundas consecuencias pueden aplicarse generalmente a una gran variedad de sistemas, como veremos en esta tesis. En el Capítulo 1, proporcionamos una breve descripción de los principales conceptos y resultados del campo de la optomecánica, antes de pasar a analizar los nuevos regímenes y aplicaciones que hemos identificado y propuesto. En el Capítulo 2, investigamos teóricamente los resultados de un par de experimentos que antes no se entendían bien. Estos experimentos atrapan nanopartículas dieléctricas a través de un modo de un resonador óptico y observan que las intensidades experimentadas por las partículas se reducen considerablemente en comparación con una trampa de pinzas ópticas convencional. Encontramos que estos sistemas se pueden describir completamente mediante un modelo optomecánico de juguete simple y demostramos que el potencial óptico dentro de los resonadores puede aproximarse a un pozo cuadrado casi perfecto. Este potencial se puede modificar dinámicamente cambiando la frecuencia de entrada del láser y encontramos una reducción drástica de las intensidades vistas por la partícula atrapada, lo que podría aumentar significativamente el rango de sistemas a los que se puede aplicar el atrapamiento óptico. Estos resultados son bastante notables y deberían tener implicaciones importantes para las futuras tecnologías de atrapamiento. En el Capítulo 3, reconocemos que una tendencia importante en el campo de la electrodinámica cuántica de cavidades (del inglés, "cavity QED") es lograr un régimen de acoplamiento fuerte. Se pueden producir dinámicas adicionales al considerar el grado de libertad de movimiento atómico. En particular, mostramos que dicho sistema es un candidato natural para explorar el régimen de acoplamiento fuerte optomecánico de un único fotón en optomecánica cuántica, pero donde la frecuencia de movimiento no puede ser resuelta por la cavidad. Mostramos que este régimen puede dar lugar a una serie de fenómenos notables, como un fuerte entrelazamiento entre la función de onda atómica y las propiedades de dispersión de los fotones incidentes individuales, o un mecanismo de calentamiento anómalo del movimiento atómico. En el Capítulo 4 mostramos que un átomo atrapado y acoplado a una cavidad constituye una plataforma atractiva para obtener el régimen de acoplamiento fuerte optomecánico con un único fotón y con bandas laterales mecánicas resueltas. La obtención de este régimen es un objetivo principal en el campo de la optomecánica, ya que permitiría la generación determinista de estados de luz no clásicos. Sin embargo, este régimen es difícil de lograr con los sistemas mecánicos convencionales debido a sus pequeños movimientos de punto cero. Como ejemplo, mostramos que el bloqueo de fotones inducido de forma mecánica puede realizarse en configuraciones realistas, donde la luz no clásica se genera solamente debido a la interacción de fotones con el movimiento atómico