論文の概要: Contributions to the optical linewidth of shallow donor - bound excitonic transition in ZnO

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2307.12566v1
• Date: Mon, 24 Jul 2023 07:21:35 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-07-25 15:23:50.361409
• Title: Contributions to the optical linewidth of shallow donor - bound excitonic transition in ZnO
• Title（参考訳）: 浅いドナーの光線幅への寄与 -ZnOの束縛励起遷移-
• Authors: Vasileios Niaouris, Samuel H. D'Ambrosia, Christian Zimmermann, Xingyi Wang, Ethan R. Hansen, Michael Titze, Edward S. Bielejec, Kai-Mei C. Fu
• Abstract要約: 酸化亜鉛(ZnO)中のAl,GaおよびInドナーアンサンブルのドナー結合光線幅特性について検討する。 このスピンフォトンインタフェースは、量子ネットワーク、メモリ、トランスダクションの応用を可能にする。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.6358775483787384
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: We study the donor-bound exciton optical linewidth properties of Al, Ga and In donor ensembles in single-crystal zinc oxide (ZnO). Neutral shallow donors (D$^0$) in ZnO are spin qubits with optical access via the donor-bound exciton (D$^0$X). This spin-photon interface enables applications in quantum networking, memories and transduction. Essential optical parameters which impact the spin-photon interface include radiative lifetime, optical inhomogeneous and homogeneous linewidth and optical depth. The ensemble photoluminescence linewidth ranges from 4-11 GHz, less than two orders of magnitude larger than the expected lifetime-limited linewidth. The ensemble linewidth remains narrow in absorption measurements through the 300 $\mu$m-thick sample, which has an estimated optical depth up to several hundred. Homogeneous broadening of the ensemble line due to phonons is consistent with thermal population relaxation between D$^0$X states. This thermal relaxation mechanism has negligible contribution to the total linewidth at 2 K. We find that inhomogeneous broadening due to the disordered isotopic environment in natural ZnO is significant, ranging from 1.9 GHz - 2.2 GHz. Two-laser spectral anti-hole burning measurements, which can be used to measure the homogeneous linewidth in an ensemble, however, reveal spectral anti-hole linewidths similar to the single laser ensemble linewidth. Despite this broadening, the high homogeneity, large optical depth and potential for isotope purification indicate that the optical properties of the ZnO donor-bound exciton are promising for a wide range of quantum technologies and motivate a need to improve the isotope and chemical purity of ZnO for quantum technologies.
• Abstract（参考訳）: 単結晶酸化亜鉛(ZnO)におけるAl,GaおよびInドナーアンサンブルのドナー結合光線幅特性について検討した。 ZnO中の中性浅いドナー(D$^0$)は、ドナーバウンドエキシトン(D$^0$X)を介して光アクセスするスピン量子ビットである。 このスピン光子インターフェイスは、量子ネットワーク、メモリおよび変換のアプリケーションを可能にする。 スピン-光子界面に影響を及ぼす重要な光学パラメータには、放射寿命、光の不均質および均一な線幅、光深度がある。 アンサンブルのフォトルミネッセンス線幅は4-11GHzで、予想される寿命制限線幅よりも2桁以下である。 アンサンブルの線幅は300ドル(約3万3000円)の厚さのサンプルを通して吸収の測定で狭く保たれており、光深度は数百と推定されている。 フォノンによるアンサンブル線の均一な拡張は、D$^0$X状態間の熱緩和と一致している。 この熱緩和機構は, ZnO中の不均一な同位体環境による不均一な膨張が, 1.9 GHz - 2.2 GHzの範囲で有意であることがわかった。 しかし、アンサンブル内の均質な線幅を測定するのに使用できる2レーザーのスペクトル反ホール燃焼測定では、単一レーザーアンサンブル線幅と同様のスペクトル反ホール線幅が示される。 この拡張にもかかわらず、高い均一性、大きな光学深度、同位体精製の可能性は、ZnOドナーバウンドエキシトンの光学的性質が幅広い量子技術に期待でき、量子技術に対するZnOの同位体および化学的純度を改善する必要性を動機付けていることを示している。

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