論文の概要: Epitaxial CeO2 Films as a Host for Quantum Applications

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.25234v1
• Date: Thu, 26 Mar 2026 09:35:56 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-27 20:52:48.218941
• Title: Epitaxial CeO2 Films as a Host for Quantum Applications
• Title（参考訳）: 量子応用のホストとしてのエピタキシャルCeO2膜
• Authors: Pralay Paul, Kusal M. Abeywickrama, Nisha Geng, Mritunjaya Parashar, Levi Brown, Mohin Sharma, Darshpreet Kaur Saini, Melissa Ayala Artola, Todd A. Byers, Bibhudutta Rout, Yiwei Ju, Xiaoqing Pan, Sumit Goswami, Sreehari Puthan Purayil, Casey Kerr, Dhiman Biswas, Ben Summers, Bin Wang, Horst Hahn, Alisa Javadi, T. Venkatesan,
• Abstract要約: 高品質CeO2薄膜をPLDで成長させ,TmイオンとErイオンをドープした。 発光寿命測定では、ErをドープしたCeO2の寿命が著しく長い。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.7298113263868886
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: In highly purified host, the coherence of quantum emitters is ultimately limited by hyperfine interactions between the emitter and lattice nuclei possessing non-zero nuclear magnetic moments. This limitation can only be mitigated through isotopic purification. In this work, we investigate CeO2 as a host composed entirely of nuclei with zero nuclear moment. High-quality CeO2 thin films were grown by PLD and doped with Tm and Er ions. Structural characterization using X-ray diffraction, atomic force microscopy, and ion channeling confirms single-crystalline, atomically smooth films with dopants substitutionally incorporated at Ce lattice sites. Photoluminescence lifetime measurements show significantly longer lifetimes for Er-doped CeO2 (2.9 - 5.3 ms) compared with Tm-doped films (14 - 68 μs). Moreover, the Er-doped PLD films exhibit longer lifetimes at ~1% dopant concentration than previously reported for MBE-grown films. Density functional theory calculations reveal a substantial overlap between unoccupied O 2p and Tm 4f states near the valence band maximum, whereas Er 4f states remain well isolated. This electronic interaction likely introduces non-radiative recombination pathways in Tm-doped CeO2, explaining the reduced lifetimes. These findings highlight the importance of selecting appropriate dopant-host combinations and optimized growth conditions to minimize non-radiative channels for quantum applications.
• Abstract（参考訳）: 高度に精製されたホストでは、量子エミッタのコヒーレンスは、非ゼロ核磁気モーメントを持つ格子核とエミッタの間の超微細な相互作用によって最終的に制限される。 この制限は、同位体浄化によってのみ緩和できる。 本研究では,CeO2を核モーメントゼロの原子核からなる宿主として検討する。 高品質CeO2薄膜をPLDで成長させ,TmイオンとErイオンをドープした。 X線回折、原子間力顕微鏡、イオンチャネルを用いた構造解析により、Ce格子に置換結合したドーパントを持つ単結晶、原子状滑らかな膜が確認できる。 発光寿命測定では、ErドープCeO2 (2.9 - 5.3 ms) とTmドープフィルム(14 - 68 μs)の寿命が著しく長い。 さらに,ErドープPLD膜は,従来報告されていたMBE成長膜よりも約1%のドーパント濃度で寿命が長い。 密度汎関数理論の計算では、占有されていないO2p状態とTm4f状態が原子価帯の最大値付近でかなり重複していることが分かるが、Er4f状態は十分に孤立している。 この電子相互作用はおそらく、TmをドープしたCeO2の非放射性組換え経路を導入し、寿命の減少を説明する。 これらの知見は、量子アプリケーションのための非放射チャネルを最小化するために、適切なドーパントホストの組み合わせと最適化された成長条件を選択することの重要性を強調している。

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