論文の概要: Strongly anisotropic non-Kramers electron spin as a quantum coherence probe of angular fluctuations
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.03989v1
- Date: Thu, 03 Sep 2026 15:24:36 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-09-04 18:28:39.141077
- Title: Strongly anisotropic non-Kramers electron spin as a quantum coherence probe of angular fluctuations
- Title（参考訳）: 角ゆらぎの量子コヒーレンスプローブとしての強異方性非クラマー電子スピン
- Abstract要約: 強い異方性非クラマー非アースイオンは、時間反転不純物によって課される消滅する横成分と巨大な長手 g-因子を結合する。
この感度は二重同一性を持ち、同時に見過ごされたデコヒーレンスチャネルであり、スピンコヒーレンスに基づく角プローブの基礎となる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Strongly anisotropic non-Kramers rare-earth ions combine giant longitudinal g-factors with a vanishing transverse component imposed by time-reversal symmetry, a combination that makes their spin transitions exquisitely sensitive to the orientation of the applied magnetic field. We show that this sensitivity carries a dual identity: it is simultaneously an overlooked decoherence channel and the basis for a spin-coherence-based angular probe. Using pulsed electron paramagnetic resonance at X-band, we report the first measurements of the quantum coherence of Tb$^{3+}$ in a native-doped CaWO$_4$ crystal (15 ppb) and map the Hahn-echo coherence time $T_2$ as a function of temperature (2 to 10 K) and resonant field ($10^3$ to $10^4$ G). A parameter-free model combining spin-lattice relaxation, instantaneous diffusion and spectral diffusion from all independently quantified impurities overestimates $T_2$ by an order of magnitude at low temperature and wrongly predicts the field dependence of $T_2$, inconsistent with the observed monotonic decrease of $T_2$ with $B_r$. A two-parameter extension, including dynamical angular fluctuations of the crystal axis, reproduces the full dataset across multiple setups and laboratories. Two controlled experiments nominally identical except for different mechanical configuration of the setup establish the mechanical origin of the dominant contribution. The two-parameter extension corresponds to an angular amplitude noise spectral density of overall order 36 n°/$\sqrt{Hz}$ from global external vibrations (ranging from 10 to 66 n°/$\sqrt{Hz}$ depending on the exact setup mechanical configuration) estimated at $\sim$ 2.5 kHz plus a temperature-dependent contribution assumed to come from local phonon-driven angular jitter. It identifies and highlights a decoherence pathway of practical relevance to any anisotropic solid-state spin system.
- Abstract（参考訳）: 強い異方性非クラマー非アースイオンは、印加された磁場の配向にスピン遷移を極端に敏感にする、時間反転対称性によって課される消滅する横成分と巨大長手g因子を結合する。
この感度は二重同一性を持ち、同時に見過ごされたデコヒーレンスチャネルであり、スピンコヒーレンスに基づく角プローブの基礎となる。
Xバンドでのパルス電子常磁性共鳴を用いて、Tb$^{3+}$の量子コヒーレンスをネイティブドープしたCaWO$_4$クリスタル(15 ppb)で初めて測定し、温度(2Kから10K)と共鳴場(10^3$から10^4$G)の関数としてハーン・エチョコヒーレンス時間$T_2$をマッピングする。
スピン格子緩和, 瞬時拡散, および全ての独立に定量化された不純物からのスペクトル拡散を組み合わせたパラメータフリーモデルでは, 温度の桁違いで$T_2$を過大評価し, 観測された単調なT_2$と$B_r$の減少に矛盾して$T_2$の場依存性を誤って予測する。
結晶軸の動的角ゆらぎを含む2パラメータ拡張は、複数の設定と実験室で完全なデータセットを再現する。
2つの制御された実験は、設定の異なる機械的構成を除いて、名目上同一であり、支配的な貢献の機械的起源を確立する。
2パラメータ拡張は、大域的な外部振動(正確な設定の機械的構成によっては10から66n°/$\sqrt{Hz}$)から得られる全順序36n°/$\sqrt{Hz}$の角振幅雑音スペクトル密度と、局所フォノン駆動の角ジッタからの温度依存性の寄与に対応する。
異方性固体スピン系に対する実用的関連性のデコヒーレンス経路を特定し、強調する。
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