用于操控 $^{171}$Yb$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$ 中低场电子钟跃迁的相干光-微波接口

固态自旋与光场和微波场的相干相互作用为一系列量子技术提供了平台,例如量子传感、微波-光量子转导和光量子存储器。具有电子自旋的稀土离子在此背景下引人关注,但同时且高效地在长晶体中驱动光跃迁与微波跃迁颇具挑战。本工作中,我们使用环隙微波谐振腔在接近零外磁场下相干驱动 $^{171}$Yb$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$ 中的光与微波钟跃迁。低磁场 regime 对于这些自旋跃迁与超导电路接口尤为有趣。我们在 1 cm 长晶体上实现了 2.497 GHz 下 0.56 MHz 的 Rabi 频率。此外,我们提供了极低场下自旋退相位机制的新见解,表明超超精细诱导的 Hahn 回波信号坍缩在低场下起重要作用。我们的计算与测量揭示,$^{171}$Yb$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$ 中的有效磁矩可被操控,从而抑制钟跃迁处的超超精细相互作用。在 2 ppm 掺杂浓度与 $3.4$ K 温度下,我们实现了 $^{171}$Yb$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$ 中报道的最长自旋相干时间 $10.0 \pm 0.4 ~\text{ms}$。