Optical characterization of excited-state spin Hamiltonians and clock transitions at telecommunication wavelength in Tm3+:YAlO3
本文表征了 Tm³⁺:YAlO₃ 中 ³F₄ 和 ³H₄ 能级最低斯塔克能级的磁特性并建立了自旋哈密顿量，旨在预测电信波长下的光学时钟跃迁，以增强用于量子应用的相干时间。
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在量子物理学那寂静且极度寒冷的领域中，科学家们一直在不断寻找让信息保存更长时间的方法。想象一下，当你试图在嘈杂的人群呐喊声中在大脑中保持一个细腻的想法；这个想法会迅速消逝。在量子领域，这种“人群”通常是由微小的、波动的磁场组成的，它们会扰乱存储在原子中的信息。为了构建未来的安全通信和强大的计算机，研究人员需要能够长时间保持其量子态的原子，即使在环境并非完全静止的情况下也是如此。保护这些原子的一种极具前景的方法是寻找一种特殊的设置，即一种特殊的磁性“甜点”（sweet spot），在这种设置下，原子会暂时对周围的噪声变得“耳聋”。这一概念依赖于精确理解原子的内部组成部分如何对磁力做出反应，而这项任务需要以极高的精度绘制出原子的能量图谱。
日内瓦大学和保尔·谢勒研究所的一个研究小组通过研究一种特定类型的原子——嵌入在钇铝钙钛矿晶体中的铥离子——在朝着这一目标迈出了重要一步。这些离子非常特殊，因为它们可以与波长约为 1451 纳米的光发生相互作用，这种颜色的光可以非常高效地通过用于全球互联网和电信的纤维光缆。虽然科学家们已经知道这些离子可以存储基于光的信息，但其记忆时间很短，仅持续几微秒，随后由于晶体的磁噪声导致信息消逝。研究人员想要准确了解为什么会发生这种情况，更重要的是，如何阻止它。他们专注于由这种电信波长光连接的铥离子的两个激发能级，旨在绘制出控制这些能级在暴露于磁场时如何移动和分裂的隐形磁性规则。
为了实现这一目标，团队将含有铥离子的微小晶体放入一台机器中，将其冷却到接近绝对零度——这是一个分子运动几乎停止的温度。随后，他们在晶体中施加了一个强且均匀的磁场，并仔细改变了磁场的强度以及它指向的方向。利用精确的激光，他们通过在特定的频率上制造出晶体吸收光的微小“空洞”。通过观察这些空洞的位置如何随磁场变化而移动以及如何分裂，研究人员可以推断出内部原子的隐藏磁性特征。这就像是通过从不同力量和角度敲击钟铃，并观察其音调的变化，从而判断出这口钟究竟是由什么材料制成的。
测量结果展示了一幅关于铥离子行为的详细图谱。团队发现，磁场会导致离子的能级以一种可预测的方式发生偏移，但这种偏移的大小很大程度上取决于磁场相对于晶体内部结构的指向。他们计算了描述铥离子电子自旋和核自旋如何与磁场相互作用的具体数值，从而创建了一个被称为“自旋哈密顿量”（spin Hamiltonian）的完整数学描述。这一描述就像是一份蓝图，使科学家能够预测原子在未来可能施加的任何磁场下会如何反应。至关重要的是，他们发现电子与原子核之间的相互作用比之前的一些计算所暗示的要强得多，这一发现凸显了独特的晶体环境是如何改变原子行为的。
有了这份全新的蓝图，研究人员利用他们的发现预测了“光学钟跃迁”（optical clock transitions）的存在。这些是非常特定的磁场强度和方向的组合，在这些条件下，原子吸收光的频率几乎完全不受微小磁场波动的干扰。在这些特殊的点上，原子实际上受到了屏蔽，免受通常会破坏其量子信息的磁噪声的影响。团队识别出了数个这样的点，其中包括一个磁场强度约为 30.88 毫特斯拉且指向特定方向的点。在这个精确的设置下，原子对磁噪声的敏感度大幅下降，这表明记忆时间与其它设置相比，有望延长十倍以上。
这项工作尚未证明这些长寿命记忆库可以被真正建造出来，但它为实现这一目标提供了必不可少的路线图。通过确定铥离子变得稳定的确切条件，这项研究为开发在电信波长下运行的量子存储器和单光子源开辟了一条清晰的路径。如果工程师能够制造出在这些预测的“钟点”下运行的设备，他们最终就能解锁构建长距离量子网络的潜力，利用现有的纤维光缆基础设施来传输既安全又与我们日常使用的光 indistinguishable（无法区分）的信息。
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