論文の概要: Optical coherence and spin population dynamics in
$^{171}$Yb$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$ single crystals
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2312.00579v1
- Date: Fri, 1 Dec 2023 13:38:34 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-12-04 14:30:29.242107
- Title: Optical coherence and spin population dynamics in
$^{171}$Yb$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$ single crystals
- Title（参考訳）: 161}$yb$^{3+}$:y$_2$sio$_5$単結晶の光コヒーレンスとスピン集団ダイナミクス
- Authors: Federico Chiossi, Eloise Lafitte-Houssat, Alban Ferrier, Sacha
Welinski, Loic Morvan, Perrine Berger, Diana Serrano, Mikael Afzelius and
Philippe Goldner
- Abstract要約: 2ppmと10ppmでドープされた2つの171Yb:YSO結晶の光均一線幅について検討した。
その結果,6K以上の線幅の均一性は主に弾性2フォノン過程によるものであることが示唆された。
低温では、89$Ybの核スピンフリップ、常磁性欠陥または不純物との相互作用が、同質の線幅の主な制限要因である可能性が高い。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: $^{171}$Yb$^{3+}$-doped Y$_2$SiO$_5$ crystals are a promising platform for
optical quantum memories in long-distance quantum communications. The relevance
of this material lies in $^{171}$Yb long optical and spin coherence times,
along with a large hyperfine splitting, enabling long quantum storage over
large bandwidths. Mechanisms affecting the optical decoherence are however not
precisely known, especially since low-temperature measurements have so far
focused on the 2 to 4 K range. In this work, we performed two- and three-pulse
photon echoes and spectral hole burning to determine optical homogeneous
linewidths in two 171 Yb:YSO crystals doped at 2 and 10 ppm. Experiments were
performed in the 40 mK to 18 K temperature range, leading to linewidths between
320 Hz, among the narrowest reported for rare-earth ions, and several MHz. Our
results show that above 6 K the homogeneous linewidth is mainly due to an
elastic two-phonon process which results in a slow broadening with temperature,
the homogeneous linewidth reaching only 25 kHz at 10 K. At lower temperatures,
interactions with $^{89}$Yb nuclear spin-flips, paramagnetic defects or
impurities, and also Yb-Yb interactions for the higher concentrated crystal,
are likely the main limiting factor to the homogeneous linewidth. In
particular, we conclude that the direct effect of spin and optical excited
state lifetime is a minor contribution to optical decoherence in the whole
temperature range studied. Our results indicate possible paths and regimes for
further decreasing the homogeneous linewidths or maintaining narrow lines at
higher $^{171}$Yb concentration.
- Abstract（参考訳）: Yb$^{3+}$-doped Y$_2$SiO$_5$ Crystalsは、長距離量子通信における光量子メモリのための有望なプラットフォームである。
この物質の関連性は、$^{171}$Ybの長い光学的およびスピンコヒーレンス時間と、大きな超微細な分割により、大きな帯域にわたって長い量子ストレージを可能にする。
光デコヒーレンスに影響を及ぼすメカニズムは正確には分かっていないが、特に低温測定では2Kから4Kの範囲に焦点が当てられている。
本研究では,2ppmおよび10ppmでドープした2つの171yb:yso結晶において,2パルスおよび3パルスフォトンエコーおよびスペクトルホールバーニングを行い,光均一線幅を求める。
40mkから18kの温度範囲で実験が行われ、320hzまでのライン幅が報告されている希土類イオンでは最も狭く、数mhzであった。
以上の結果から,均質な線幅は主に弾性二フォノン過程によるもので,温度とともに緩やかに広がり,均質な線幅は10kで25khzにしか達せず,低温では$^{89}$ybの核スピンフリップや常磁性欠陥や不純物との相互作用,高濃度の結晶に対するyb-yb相互作用が均質な線幅の主な制限因子である可能性が示唆された。
特に、スピンおよび光励起状態寿命の直接効果は、研究された全温度範囲における光デコヒーレンスへのわずかな寄与である。
以上の結果から, 均一線幅をさらに減少させる, あるいは, より高い$^{171}$Yb濃度で狭線を維持するための経路や方法が示唆された。
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