利用$^{145}$Nd$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$中超精细能级的高效光抽运及其在光存储中的应用

高效光抽运是量子技术（如光量子存储器）中态初始化的关键手段。在掺有克拉默斯稀土离子（如铒和钕）的晶体中，由于电子塞曼能级的布居寿命相对较短（在约4 K时约为100 ms），高效光抽运具有挑战性。本文中我们表明，同位素富集的$^{145}$Nd$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$晶体中超精细能级的光抽运更为高效，这归因于超精细能级更长的布居弛豫时间。通过使布居在激发态间多次光学循环，可在基态超精细流形中强制发生核自旋翻转，此时布居在被抽运的超精细能级弛豫回去之前会被俘获数秒。为展示该方法在应用中的有效性，我们在$^{145}$Nd$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$中进行了原子频率梳存储器实验，存储效率达33%，与在非克拉默斯离子（如铕和镨）中获得的结果相当，后者因电子自旋猝灭而通常光抽运高效。掺钕晶体中的高效光抽运在生物医学成像的光谱滤波方面亦具意义，因钕的吸收波长与组织成像兼容。除这些应用外，我们的研究对理解具核自旋的克拉默斯离子中的自旋动力学亦有价值。