論文の概要: Telecom-Band Optical Transitions of Erbium Atoms in Rare-Gas Solids

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2610.00918v1
• Date: Thu, 01 Oct 2026 01:53:05 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-10-03 01:19:23.844715
• Title: Telecom-Band Optical Transitions of Erbium Atoms in Rare-Gas Solids
• Title（参考訳）: 希土類ガス固体中のエルビウム原子のテレコムバンド光遷移
• Abstract要約: 希土類(RE)原子は近赤外線の内殻光遷移を持ち、そのうちのいくつかは通信帯域にある。 これらの遷移は、充填された外殻による効果的な遮蔽のため、ホスト環境にほとんど敏感である。 本研究では, 固体NeおよびAr中の中性Er原子を6Kで分離し, 定常および時間分解発光分光法により発光特性を特徴づける。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.8384736701260205
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Rare-earth (RE) atoms, such as erbium (Er), have inner-shell optical transitions in the near-infrared, some of which are in the telecom bands. These transitions are largely insensitive to the host environment due to effective shielding by the filled outer shells. Cryogenic rare-gas (RG) solids, such as solid neon (Ne) and argon (Ar), combine high chemical purity with a nearly nuclear-spin-free environment, making them attractive solid hosts for preserving optical and spin coherence. In this work, we isolate neutral Er atoms in solid Ne and Ar at 6 K and characterize their emission by steady-state and time-resolved photoluminescence (PL) spectroscopy. In both hosts, we observe several near-infrared transitions between 1000--1500 nm, including inner-shell emission in the telecom O and E bands. The $4f \rightarrow 5d$ transition near 1299 nm forms a multiplet of narrow components, consistent with crystal-field splitting, and decays on a microsecond timescale. The $4f \rightarrow 4f$ transition near 1437 nm shows a matrix shift below 1 cm$^{-1}$ in both hosts. In solid Ne, its inhomogeneous linewidth is bounded by the spectrometer resolution to < 22 GHz, and its PL lifetime reaches up to 78.9 ms, close to the estimated radiative limit. Thermal annealing extends the 1437 nm lifetime in Ne and suppresses the phonon sidebands relative to the zero-phonon lines in Ar. These results identify RG solids as promising hosts for long-lived telecom-band Er emission and provide a foundation for future spin-photon interfaces and hybrid quantum architectures.
• Abstract（参考訳）: エルビウム(Er)のような希土類(RE)原子は、近赤外線において内殻の光学遷移を持ち、そのうちのいくつかは通信帯域にある。 これらの遷移は、充填された外殻による効果的な遮蔽のため、ホスト環境にほとんど敏感である。 固体ネオン(Ne)やアルゴン(Ar)のような低温希ガス(RG)固体は、高い化学的純度とほとんど核スピンのない環境を結合し、光学的およびスピンコヒーレンスを保存するための魅力的な固体ホストとなる。 本研究では, 固体NeおよびAr中の中性Er原子を6Kで分離し, 定常および時間分解発光分光法により発光特性を特徴づける。 両ホストにおいて、1000-1500nm間の近赤外遷移を観測し、通信OバンドとEバンドの内殻放出を観測した。 1299nm付近の4f \rightarrow 5d$トランジションは、結晶場分裂と矛盾し、マイクロ秒の時間スケールで崩壊する狭い成分の多重体を形成する。 1437nm付近の4f \rightarrow 4f$遷移は、両方のホストにおいて 1 cm$^{-1} 以下の行列シフトを示す。 固体Neでは、その不均一な線幅は分光器の分解能によって22GHzに制限され、PL寿命は推定放射限界に近い78.9msに達する。 熱アニールは、Neの1437nm寿命を延長し、Arのゼロフォノン線に対するフォノン側バンドを抑制する。 これらの結果は、RG固体を長寿命のテレコムバンドEr放出のための有望なホストとみなし、将来のスピン光子インターフェースとハイブリッド量子アーキテクチャの基礎を提供する。

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