論文の概要: Coherent spin dynamics of rare-earth doped crystals in the high-cooperativity regime

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2206.04027v2
• Date: Mon, 20 Jun 2022 09:21:06 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-02-10 04:10:40.094023
• Title: Coherent spin dynamics of rare-earth doped crystals in the high-cooperativity regime
• Title（参考訳）: 希土類ドープ結晶の高共役状態におけるコヒーレントスピンダイナミクス
• Authors: Joseph Alexander, Gavin Dold, Oscar W. Kennedy, Mantas \v{S}im\.enas, James O'Sullivan, Christoph W. Zollitsch, Sacha Welinski, Alban Ferrier, Elo\"ise Lafitte-Houssat, Tobias Lindstr\"om, Philippe Goldner, John J. L. Morton
• Abstract要約: 希土類ドープ結晶は長いコヒーレンス時間を持ち、マイクロ波と光子の量子インターフェースを提供する可能性がある。 我々は2種のレアアーススピン種である145$NdとYbをY$2$SiO$_5$にドープし、高協調性状態の平面マイクロ波共振器と結合するスピンダイナミクスを測定した。 共鳴スピンから生じる瞬時拡散や不純物電子および核スピンからの温度依存性のスペクトル拡散を含む関連するデコヒーレンス機構を同定する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.7586208381054043
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Rare-earth doped crystals have long coherence times and the potential to provide quantum interfaces between microwave and optical photons. Such applications benefit from a high cooperativity between the spin ensemble and a microwave cavity -- this motivates an increase in the rare earth ion concentration which in turn impacts the spin coherence lifetime. We measure spin dynamics of two rare-earth spin species, $^{145}$Nd and Yb doped into Y$_{2}$SiO$_{5}$, coupled to a planar microwave resonator in the high cooperativity regime, in the temperature range 1.2 K to 14 mK. We identify relevant decoherence mechanisms including instantaneous diffusion arising from resonant spins and temperature-dependent spectral diffusion from impurity electron and nuclear spins in the environment. We explore two methods to mitigate the effects of spectral diffusion in the Yb system in the low-temperature limit, first, using magnetic fields of up to 1 T to suppress impurity spin dynamics and, second, using transitions with low effective g-factors to reduce sensitivity to such dynamics. Finally, we demonstrate how the `clock transition' present in the $^{171}$Yb system at zero field can be used to increase coherence times up to $T_{2} = 6(1)$ ms.
• Abstract（参考訳）: 希土類ドープ結晶は長いコヒーレンス時間を持ち、マイクロ波と光子の量子インターフェースを提供する可能性がある。 このような応用はスピンアンサンブルとマイクロ波空洞との間の高い協調性から恩恵を受けており、これはスピンコヒーレンス寿命に影響を与える希土類イオン濃度の増加を動機付けている。 我々は、2つの希少スピン種である$^{145}$NdとYbをY$_{2}$SiO$_{5}$にドープし、温度範囲1.2Kから14mKの高協調系における平面マイクロ波共振器と結合してスピンダイナミクスを測定する。 我々は、共鳴スピンから生じる瞬時拡散や、環境中の不純物電子および核スピンからの温度依存性のスペクトル拡散を含む関連するデコヒーレンス機構を同定する。 低温限界におけるYb系におけるスペクトル拡散の影響を緩和する2つの手法を探索し、第1に、磁場1Tで不純物スピンダイナミクスを抑制し、第2に、低効率g因子の遷移を用いて、そのような力学に対する感度を低下させる。 最後に、ゼロ場における$^{171}$Yb 系の 'clock transition' が、コヒーレンス時間を$T_{2} = 6(1)$ ms に拡張するためにどのように使用できるかを実証する。

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