[논문 리뷰] Strong Coupling Between Whispering Gallery Photons and Spin States of Iron Group Impurity Ions

Maxim Goryachev, Warrick G. Farr외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 24.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 3인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 에르븀 이온과 europium 이온을 도핑한 Y₂SiO₅ 단일 결정체에서, 임의의 공도핑 과정으로 인해 발생한 철족 불순이온(Cr³⁺, Cr⁴⁺, Ni²⁺)의 스핀 상태와 월링거 갤러리 모드(WGM) 마이크로파 광자의 강한 결합을 발견하였으며, 근처 영자기장 조건에서 결합 강도가 3.3 MHz에 도달하였다. 이는 100 ppb 수준의 불순이 존재하는 조건에서 고정밀 스핀-광자 상호작용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Interaction of Whispering Gallery Modes (WGM) with dilute spin ensembles in solids is an interesting paradigm of Hybrid Quantum Systems potentially beneficial for Quantum Signal Processing applications. In the present work, WGM spectroscopy of Rare-Earth doped YSO crystal reveals the existence of Iron Group Ion (IGI) co-dopings with concentration levels of order 100 ppb. The IGI spin ensembles demonstrate large Zero Field Splittings at 14.7GHz, 18.4GHz and 25.4GHz, considerable anisotropy of the extrm{g}-tensors, as well as two inequivalent lattice sites. Strong coupling regimes between an ensemble of IGI spins and WGM photons have been demonstrated at $18.4$ GHz and near zero field. This approach together with useful optical properties of these ions opens a new avenue for 'spins-in-solids' Quantum Electrodynamics.

연구 동기 및 목표

• 양자 응용 분야에서 사용되는 희토류 도핑 Y₂SiO₅ 결정체에 존재하는 예상치 못한 스핀 불순물의 규명 및 특성 분석.
• 월링거 갤러리 모드(WGM) 마이크로파 광자와 흩어진 스핀 엔semble을 형성하는 철족 이온(IGIs) 간의 상호작용 강도 연구.
• 특히 근처 영자기장 조건에서 이러한 IGI 스핀 상태가 WGM과 강한 결합을 이룰 수 있는지 평가.
• 코herence 및 결합 매개변수 평가를 통해 이러한 시스템이 하이브리드 양자 시스템(HQS) 및 양자 정보 처리에 미치는 잠재력 평가.
• 특정 IGI 종류(Cr³⁺, Cr⁴⁺, Ni²⁺ 등)에 기반한 관측된 영자기장 분할(ZFS) 및 g-텐서 이방성의 기원과 전자 구조 규명.

제안 방법

• 초전도 자기장에서 20 mK로 냉각된 7개의 실린더형 Y₂SiO₅ 결정체에 대해 WGM 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 마이크로파 주파수 스윕을 통해 전자 스핀 공명(ESR) 전이를 탐지하였으며, 고Q 인성절연체 공진기(Q ~ 10⁸)에서 WGM 주파수 이동을 통해 검출하였다.
• 결정 축을 따라 자기장을 적용하여 자화 불균형한 위치를 붕괴시켜 ZFS 및 g-텐서 이방성을 규명하였다.
• 비도핑 및 도핑된 결정체 간의 비교를 통해 철족 불순물(Cr, Ni)이 약 100 ppb 농도로 공도핑 과정에서 유도된 것으로 규명되었다.
• 결정 축을 45° 회전시켜 g-인자 이방성을 정량화하였으며, 특정 전이에서 효과적 g-인자가 2배로 변화하는 것으로 나타났다.
• 온도 의존 측정을 통해 스핀 엔semble의 파라자성 성질을 확인하였으며, 결합 강도가 스핀 시스템에 기대하는 바와 일치함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Er³⁺:Y₂SiO₅ 및 Eu³⁺:Y₂SiO₅ 결정체에서 14.7 GHz, 18.4 GHz, 25.4 GHz에서 관측된 예상치 못한 전자 스핀 공명 전이의 원인은 무엇인가?
• RQ2 Cr³⁺, Cr⁴⁺ 또는 Ni²⁺와 같은 철족 불순이온(IGIs)이 관측된 영자기장 분할 및 g-텐서 이방성의 원인일 수 있는가?
• RQ3 근처 영자기장 조건에서 WGM 광자와 IGI 스핀 엔semble 간의 결합 강도가 강결합 영역에 도달할 수 있는가?
• RQ4 g₂₊ 선에서 관측된 이중 피크 분할은 무엇을 의미하며, 이는 위치 불균형과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 관측된 결합 강도 및 피크 너비는 초전도 큐비트와의 통합에 필요한 기준과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 14.7 GHz, 18.4 GHz, 25.4 GHz에서 세 가지 별개의 영자기장 분할이 관측되었으며, 이는 스핀 수 S = 3/2 및 S = 1을 가진 스핀 시스템에 해당한다.
• 25.4 GHz ZFS는 Cr⁴⁺(S = 1)에 기인하며, 18.4 GHz ZFS는 Ni²⁺(S = 1)에 기인하고, 14.7 GHz ZFS는 Cr³⁺(S = 3/2)에 기인한다.
• WGM 광자와 IGI 스핀 엔semble 간의 결합 강도는 3.3 MHz에 도달하였으며, 일반적인 스핀 피크 너비(1–2 MHz) 및 초전도 회로의 감쇠율을 초월하였다.
• 결정 방향에 따른 효과적 g-인자에 대한 강한 의존성이 관측되었으며, 45° 회전 시 2배 변화하는 것으로 나타나 상당한 자기이방성이 있음을 시사한다.
• g₂₊ 선에서 관측된 이중 피크 분할(Δg = 0.03)은 동일한 IGI 종류에 대해 두 개의 불균형한 격자 위치가 존재함을 의미하며, 약간의 기울임 또는 국소적 변형으로 인한 것으로 추정된다.
• IGI 불순물의 농도는 약 100 ppb로 추정되며, Er³⁺ 또는 Eu³⁺의 공도핑 과정에서 의도하지 않게 유도된 것으로 나타났으며, 관측된 강한 스핀-광자 결합의 원인이 되었다.