Hybrid quantum system based on rare earth doped crystals

156 Pages·2016·12.46 MB·English

by  Sebastian Probst

Experimental Condensed Matter Physics
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Sebastian Probst
Hybrid quantum system based on rare earth doped crystals
Experimental Condensed Matter Physics
Band 16

Herausgeber
Physikalisches Institut
Prof. Dr. Hilbert von Löhneysen
Prof. Dr. Alexey Ustinov
Prof. Dr. Georg Weiß
Prof. Dr. Wulf Wulfhekel
Eine Übersicht aller bisher in dieser Schriftenreihe erschienenen Bände
finden Sie am Ende des Buchs.
Hybrid quantum system based
on rare earth doped crystals
by
Sebastian Probst
Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Fakultät für Physik
Tag der mündlichen Prüfung: 23. Januar 2015
Referenten: Prof. Dr. Alexey V. Ustinov, Prof. Dr. Pavel A. Bushev
Impressum
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
KIT Scientific Publishing
Straße am Forum 2
D-76131 Karlsruhe
KIT Scientific Publishing is a registered trademark of Karlsruhe
Institute of Technology. Reprint using the book cover is not allowed.
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http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/de/
Print on Demand 2016
ISSN 2191-9925
ISBN 978-3-7315-0345-3
DOI 10.5445/KSP/1000045903

Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 ParamagneticIonsinSolids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Transitionionsofthe4fgroup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Rareearthimpuritiesincrystalfields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Electronspinresonancespectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.1 Electronicandnuclearmoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.2 Magneticresonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.3 Effectivespinandmagneticanisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.4 Spin-spininteraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.5 Spin-latticeinteraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.6 Quantummechanicaldescriptionofthetimeevolution . . . . . . . . 16
2.4 OpticalspectroscopyoferbiumionsinYSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.1 CWspectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.2 Timeresolvedspectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Hybridquantumcircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 Superconductingquantumcircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 Superconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.2 Qubits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.3 Transmissionlinesandmicrowaveresonators . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Couplingspinensembleswithmicrowavecircuits . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.1 Generalconsiderations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.2 TheTavis-Cummingsmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.3 WeakCoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.4 Strongcouplingandinhomogeneousbroadening . . . . . . . . . . . 35
3.2.5 Temperaturedependenceofthecollectivecoupling . . . . . . . . . . 37
3.3 Measurementofthespinlatticerelaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Microwave-opticalconversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1 Cryostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Microwavespectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3 Opticalspectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4 Rareearthdopedcrystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
i
Contents
5 Anisotropiccouplingofmicrowaveresonatorstorareearthspinensembles . . 51
5.1 AnisotropiccouplingtorareearthspinensemblesdopedintoY SiO . . . . 51
2 5
5.2 RareearthionsdopedintoYAlO hostcrystals . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3
5.3 FocusedionbeamimplantedEr3+inY SiO . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2 5
5.4 3DcavityQEDexperimentswithEr3+:Y SiO . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2 5
6 Timeresolvedmicrowavespectroscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1 Inhomogeneousspinlinewidthandcollectivecouplingrevisited . . . . . . . 77
6.2 Timedomainsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3 VacuumRabioscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4 Spincoherenceproperties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.5 Amultimodememoryforcoherentmicrowavepulses . . . . . . . . . . . . . 94
7 Amicrowave-opticalhybridsystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.2 Opticalspectroscopyof50ppmEr:YSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.3 Opticaldetectionofthespinrelaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Listofpublications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
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