$^{171}$Yb$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$中超精细性质的光谱研究

稀土离子掺杂晶体是量子通信与量子信息处理的极具前景的系统。特别是，顺磁性稀土中心可用于实现光子和微波光子的量子相干接口。在本文中，我们研究了掺杂$^{171}$Yb$^{3+}$离子的Y$_2$SiO$_5$晶体的超精细与磁学性质。该同位素尤为有趣，因为它是唯一具有电子自旋$S=\frac{1}{2}$和核自旋$I=\frac{1}{2}$的稀土离子，从而呈现出可能最简单的超精细能级结构。本工作中，我们通过结合光谱烧孔与光探测磁共振技术，确定了光学$^2$F$_{7/2}(0) \longleftrightarrow ^2$F$_{5/2}$(0)$跃迁的基态与激发态的超精细张量。所得自旋哈密顿量正确预测了从零外加场到塞曼相互作用占主导的高场区域中所有观测到的光学-超精细跃迁的磁场依赖性。利用光学吸收谱，我们还可确定两态中超精细能级的顺序。这些结果为基于$^{171}$Yb$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$晶体实现固态光学与微波量子存储器铺平了道路。