${}^{171}$Yb${}^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$单晶中的光学相干与自旋布居动力学

${}^{171}$Yb${}^{3+}$掺杂的Y$_2$SiO$_5$晶体是长距离量子通信中光学量子存储的有前景平台。该材料的重要性在于${}^{171}$Yb较长的光学与自旋相干时间，以及较大的超精细分裂，可在大带宽下实现长时量子存储。然而影响光学退相干的机制尚不确切，尤其是低温测量迄今集中于2至4 K范围。本工作中，我们采用二脉冲与三脉冲光子回波及光谱孔燃烧，测定了掺杂浓度为2和10 ppm的两块171 Yb:YSO晶体中的光学均匀线宽。实验在40 mK至18 K温区进行，所得线宽介于320 Hz（稀土离子中报道最窄者之一）至数MHz之间。我们的结果表明，6 K以上均匀线宽主要由弹性双声子过程导致，其随温度缓慢展宽，在10 K时均匀线宽仅达25 kHz。在更低温度下，与${}^{89}$Yb核自旋翻转、顺磁缺陷或杂质的相互作用，以及对于较高浓度晶体还与Yb-Yb相互作用，可能是均匀线宽的主要限制因素。我们特别得出结论：自旋与光学激发态寿命的直接效应对整个研究温区的光学退相干贡献微小。我们的结果指出了进一步减小均匀线宽或在更高${}^{171}$Yb浓度下维持窄线的可能路径与 regime。