高 cooperativity regime 下稀土掺杂晶体的相干自旋动力学

稀土掺杂晶体具有长相干时间，并有望提供微波与光学光子之间的量子接口。此类应用受益于自旋系综与微波腔之间的高 cooperativity（协同性）——这促使提高稀土离子浓度，而浓度升高反过来影响自旋相干寿命。我们在 1.2 K 至 14 mK 温度范围内，测量了耦合到平面微波谐振腔、处于高协同性 regime 的两种稀土自旋物种（掺入 Y$_{2}$SiO$_{5}$ 的 $^{145}$Nd 与 Yb）的自旋动力学。我们辨识了相关的退相干机制，包括来自共振自旋的瞬时扩散，以及环境中杂质电子与核自旋引起的温度依赖谱扩散。我们探索了在低温极限下缓解 Yb 体系谱扩散影响的两种途径：其一，使用高达 1 T 的磁场抑制杂质自旋动力学；其二，使用具有低有效 g 因子的跃迁以降低对此类动力学的敏感性。最后，我们展示了如何利用 $^{171}$Yb 体系在零场下存在的“时钟跃迁”将相干时间提升至 $T_{2} = 6(1)$ ms。