Экспериментальное исследование спектральных свойств кристаллов, активированных редкоземельными элементами, и возможности реализации на их основе элементов устройств для квантовых вычислений и коммуникаций

• Автор: Бондарцев, Александр Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 142 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Экспериментальное и теоретическое исследование взаимодействий в ионных комплексах №Г!~-1Чтс13+ в кристалле ЬаГ3
1.1 Межионные взаимодействия и особенности энергетической структуры комплексов редкоземельных ионов в кристаллах
1.2 Сателлитные линии в кристалле Ш3+:ЬаР
1.2.1 Измерение спектров поглощения и флуоресценции кристаллов
1.2.2 Теоретический анализ. Природа возникновения сателлит-
ных линий
1.3 Внутренняя структура сателлитных линий, скрытая неоднородным уширением
1.3.1 Экспериментальные результаты двойного оптического резонанса сателлитных линий
1.3.2 Магнитное диполь-дипольное взаимодействие
1.3.3 Электрическое мультипольное взаимодействие
1.3.4 Обменное/суперобменное взаимодействие между ионами в
разных состояниях
1.3.5 Обмен виртуальными фононами
1.3.6 Общая модель возникновения сателлитных линий и их внутренней структуры
1.4 Эффекты ап-конверсии и электромагнитно индуцированной прозрачности в ионных комплексах
1.4.1 Механизмы ап-конверсии в парных комплексах
1.4.2 Двойной оптический резонанс в магнитном поле. Переходы
между возбужденными состояниями пары ионов. Электромагнитно индуцированная прозрачность
1.5 Заключение к Главе
Глава 2. Спектрально выделенные ансамбли ионов Рг3+ в кристал-
ле ЬаГз и элементы устройств для квантовых вычислений на их основе
2.1 Применение кристаллов, активированных редкоземельными ионами, в области квантовых вычислений
2.2 Измерение параметров оптических и сверхтонких переходов ионов
Рг3+ в кристалле ЬаИз
2.2.1 Измерение коэффициентов поглощения и неоднородной ширины оптических переходов
2.2.2 Измерение неоднородной ширины сверхтонких переходов .
2.3 Спектральная селекция ансамблей ионов Рг3+ в кристалле БаИз.
Ансамблевые кубиты
2.3.1 Экспериментальная реализация спектральной селекции ионов Ргз+
в кристалле ЬаРз
2.4 Релаксация населенности кубита
2.5 Манипуляция населенностью состояний кубита. Однокубитовые
операции
2.5.1 Некогерептный перенос населенности кубита
2.5.2 Когерентный перенос населенности кубита
2.6 Взаимодействие спектрально выделенных групп частиц. Двухку-
битовые операции
2.6.1 Экспериментальная демонстрация
2.7 Заключение к Главе
Глава 3. Элементы устройств оптической памяти на основе спектрально выделенных ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаГз
3.1 Применение кристаллов, активированных редкоземельными элементами, в области квантовых коммуникаций
3.2 Эффективный режим электромагнитно индуцированной прозрачности
3.2.1 Описание протокола хранения оптической информации на основе электромагнитно индуцированной прозрачности

3.2.2 Экспериментальная реализация эффективного режима электромагнитной прозрачности в среде из спектрально выделенных ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз
3.3 Фотонное эхо на атомной частотной гребенке
3.3.1 Описание протокола хранения оптической информации на основе атомной частотной гребенки
3.3.2 Экспериментальная реализация оптической памяти на основе атомной частотной гребенки в кристалле Рг3|дЬаРз .
3.4 Управление временем хранения с помощью внешнего электрического поля
3.4.1 Штарковская спектроскопия спектрально выделенных ансамблей ионов Рг31 в кристалле ЬаРз
3.4.2 Управление периодом атомной частотной гребенки при помощи внешнего электрического поля
3.5 Заключение к Главе
Заключение
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации 122 Литература

с концентрацией N<1 0.5 ат. %. Резонансы пропускания соответствуют совпадениям частотной расстройки между лазерными лучами с разностью энергий между расщепленными уровнями основного или возбужденного состояния пары. Видны резонансы с расстояниями вплоть до 3 ГГц (0.1 см-1).
Можно предположить, что наблюдаемая внутренняя структура линий есть сверхтонкая структура изотопов шШ и 145Пс1 с ядерным спином I = 7/2, которые входят в естественный состав неодима с процентными долями 12.2% и 8.3%, соответственно. Отметим, что измерения в Ш:ЬаЕ5 [76], Ш:УЬГ [44] и Ш:ЬаС1з [63] показывают, что величины сверхтонкого расщепления достигают нескольких ГГц. Поскольку такая структура не наблюдается на линии изолированного иона (см. рис. 5(1), мы можем заключить, что измеренная внутренняя структура сателлитных линий, скрытая неоднородным уширением, также вызвана взаимодействием между ионами. Данное взаимодействие снимает оставшееся вырождение основного триплетного и возбужденного октетного состояний пары.
Взаимодействиями между ионами могут быть: магнитное и электрическое мультипольное, обменное, а также взаимодействие с участием фононов. Рассмотрим каждое из них более подробно. Причем рассмотрим взаимодействие ионов как в основном состоянии, так и в возбужденном.
1.3.2 Магнитное диполь-дипольное взаимодействие
В общем случае гамильтониан магнитного диполь-дипольного взаимодействия пары ионов дается выражением [56]:

1П П = '^>TlsTI't9lps92qt)S2ql (ГД
где 5ф- — оператор компоненты эффективного спина г-ой частицы па ось к,
— компоненты р-тензора г-ой частицы, гг* — направляющие косинусы оси пары, Р — магнетон Бора, Л — расстояние между ионами пары. Для расчета матричных элементов взаимодействия требуется знание величин компонент и ориентации главных осей р-тепзоров ионов относительно локальных осей координат. Ориентация д-тензора в основном состоянии была измерена в работе [77],