[论文解读] Strong Coupling Between Whispering Gallery Photons and Spin States of Iron Group Impurity Ions

Maxim Goryachev, Warrick G. Farr+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 3被引用 8

一句话总结

本研究在铒掺杂（Er³⁺:Y₂SiO₅）和铕掺杂（Eu³⁺:Y₂SiO₅）单晶中，发现了微波驻波模（WGM）光子与铁族杂质离子（Cr³⁺, Cr⁴⁺, Ni²⁺）自旋态之间的强耦合，耦合强度在近零磁场下达到3.3 MHz。该耦合源于晶体生长过程中的非故意共掺杂，使在100 ppb杂质浓度下实现高保真度自旋-光子相互作用成为可能。

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.

研究动机与目标

• 识别并表征用于量子应用的稀土共掺杂Y₂SiO₅晶体中意外存在的自旋杂质。
• 研究微波驻波模（WGM）微波光子与铁族离子（IGIs）稀释自旋系综之间的相互作用强度。
• 确定在实验可实现条件下，特别是近零磁场区域，这些IGI自旋态是否能与WGM实现强耦合。
• 通过评估相干性和耦合参数，评估这些系统在混合量子系统（HQS）和量子信息处理中的潜力。
• 从特定IGI种类（如Cr³⁺, Cr⁴⁺, Ni²⁺）的角度，阐明观测到的零场分裂（ZFS）和g张量各向异性的起源与电子结构。

提出的方法

• 在7个圆柱形Y₂SiO₅晶体（掺杂Er³⁺或Eu³⁺）上进行WGM光谱测量，样品在超导磁体中冷却至20 mK。
• 施加微波频率扫描以探测电子自旋共振（ESR）跃迁，通过高Q值介电谐振腔（Q ~ 10⁸）中的WGM频率偏移进行检测。
• 在沿晶体轴方向施加磁场，以消除磁不等价位点的影响，从而识别ZFS和g张量各向异性。
• 通过对比未掺杂与掺杂晶体，发现铁族杂质（Cr, Ni）在约100 ppb浓度下通过共掺杂过程被引入。
• 通过将晶体轴旋转45°，量化g因子的各向异性，结果显示某些跃迁的等效g因子变化达两倍。
• 温度依赖性测量证实了自旋系综的顺磁性，且耦合强度符合自旋系统的预期变化规律。

实验结果

研究问题

• RQ1 在14.7 GHz、18.4 GHz和25.4 GHz处观测到的Er³⁺:Y₂SiO₅和Eu³⁺:Y₂SiO₅晶体中意外的电子自旋共振跃迁的成因是什么？
• RQ2 铁族杂质离子（IGIs）如Cr³⁺、Cr⁴⁺或Ni²⁺是否可解释观测到的零场分裂和g张量各向异性？
• RQ3 在近零磁场区域，WGM光子与IGI自旋系综之间的耦合强度是否足以达到强耦合区域？
• RQ4 g₂₊谱线中的双峰分裂的起源是什么，其与位点不等价性的关系如何？
• RQ5 观测到的耦合强度和线宽与与超导量子比特集成所需的参数相比如何？

主要发现

• 在14.7 GHz、18.4 GHz和25.4 GHz处观测到三个不同的零场分裂，分别对应自旋数S = 3/2和S = 1的自旋系统。
• 25.4 GHz的ZFS归因于Cr⁴⁺（S = 1），18.4 GHz的ZFS归因于Ni²⁺（S = 1），14.7 GHz的ZFS归因于Cr³⁺（S = 3/2）。
• WGM光子与IGI自旋系综之间的耦合强度达到3.3 MHz，超过典型自旋线宽（1–2 MHz）和超导电路的退相干速率。
• 观测到有效g因子对晶体取向的强烈依赖性，45°旋转后g因子变化达两倍，表明存在显著的磁各向异性。
• g₂₊谱线中的双峰分裂（Δg = 0.03）归因于同一IGI种类在两个不等价晶格位点上的存在，可能由轻微的取向偏差或局部畸变引起。
• IGI杂质浓度估计为~100 ppb，是在Er³⁺或Eu³⁺共掺杂过程中非故意引入的，是导致观测到的强自旋-光子耦合的原因。