利用单个稀土电子自旋探测单个核自旋

晶体宿主中的稀土相关电子自旋是独特的材料体系，因为它们有望提供电信波段光子与长寿命自旋量子比特之间的直接接口。具体而言，其在固体中可与环境中核自旋相互作用的光学可及电子自旋是宝贵的量子存储资源。对附近单个核自旋的探测，迄今为止仅在少数稀核自旋浴宿主系统（如金刚石中的 NV 中心或碳化硅中的硅空位）中得以展示，而对于通常具有稠密核自旋浴的稀土宿主材料而言仍是一项未解决的挑战。在此，我们展示了硅酸钇宿主中单个 Ce$^{3+}$ 离子的电子自旋谱学，其相干时间为 $T_{2}=124\,\mu$s。这一相干相互作用时间足够长，可从 $^{89}$Y 的核自旋浴中隔离出邻近的 $^{89}$Y 核自旋。此外，它允许探测单个附近的 $^{29}$Si 核自旋，该核自旋为宿主材料所固有，丰度约 5%。本研究为基于耦合环境核自旋的稀土离子相关系统中的量子存储应用打开了大门，并可能有助于量子纠错方案。