Submerged-Shell Atoms Trapped in Noble Gas Solids for Quantum Information and Measurement

捕获在稀有气体固体中的水下壳原子用于量子信息和测量

基本信息

  • 批准号:
    2310394
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 39.29万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-07-01 至 2026-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This project will perform optical and infrared spectroscopy of neutral thulium atoms trapped in solidified noble gases, which are chemically inert solids sometimes called cryocrystals. The trapped thulium atoms may be excited with a laser, which allows transition frequencies between the atomic energy levels to be measured. Thulium is chosen because of its unusual electron configuration, which contains valence electrons in the f-shell near the nucleus. Unlike other species whose energy levels are substantially broadened when trapped in a cryocrystal, thulium energy levels are split into resolvable components. This project will employ a new set of spectroscopy techniques to uncover the complete energy level diagram for thulium atoms trapped in solid argon and neon, which paves the way for using their unique properties as probes of the local environment at nanometer scale, or as entangled elements in a quantum device. The project has great potential for broader impacts to quantum information science and measurement, and will contribute to education of students in surface science, cryogenics, optics, and atomic physics.This project is motivated in particular from recent observations that the magnetic dipole transition between f shells at 1140 nm can be as narrow as 1.5 GHz, even when averaged over a population. Furthermore, there is no indication of population inhomogeneity at the GHz scale, suggesting that with further cooling, MHz linewidths might be obtained. This is significantly narrower than, for example, the inhomogeneity in diamond NV centers, which supports the notion, seen in gas phase spectroscopy, that submerged f shells interact much less with the surrounding environment than s or p levels. This suggests a novel platform for quantum information and measurement, where frequency resolution permits detailed optical pumping schemes, even as atoms are held in place at the sub-nanometer scale, co-located with measurement targets, and/or directly integrated into quantum hardware via a universally compatible process requiring a single step: condensing noble gas solids with co-deposition of thulium. In particular, the high density combined with homogeneity are promising for quantum information applications and for observing coherent effects such as superradiance. To investigate these possibilities, a series of experiments will be performed to determine the low-temperature linewidth of thulium in solid argon and neon hosts, to resolve ground state substructure coming from crystal field splitting, to increase the maximum photon cycling rate, and to attempt to sense the environment near a glass substrate.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该项目将对凝固惰性气体中的中性铥原子进行光学和红外光谱分析,惰性气体是化学惰性固体,有时被称为晶体。被捕获的铥原子可以用激光激发,这样就可以测量原子能级之间的跃迁频率。选择铥是因为它不寻常的电子构型,它在靠近原子核的f层中含有价电子。不像其他物质,当被困在晶体中时,其能级被大大拓宽,铥的能级被分成可分解的组分。该项目将采用一套新的光谱学技术来揭示被困在固体氩和氖中的铥原子的完整能级图,这为利用它们的独特性质作为纳米尺度的局部环境探针或量子器件中的纠缠元素铺平了道路。该项目对量子信息科学和测量具有广泛的影响,并将有助于学生在表面科学、低温学、光学和原子物理方面的教育。这个项目的动机特别来自于最近的观察,即在1140 nm处f壳层之间的磁偶极子跃迁可以窄至1.5 GHz,即使在种群上平均也是如此。此外,在千兆赫尺度上没有种群不均匀性的迹象,这表明进一步冷却,可以获得兆赫的线宽。这比钻石NV中心的不均匀性要窄得多,例如,这支持了气相光谱中看到的概念,即浸没的f壳层与周围环境的相互作用要比s或p层少得多。这为量子信息和测量提供了一个新的平台,其中频率分辨率允许详细的光泵浦方案,即使原子被固定在亚纳米尺度上,与测量目标共存,并且/或者通过一个普遍兼容的过程直接集成到量子硬件中,只需要一个步骤:用铥共沉积凝聚惰性气体固体。特别是,高密度与均匀性相结合,在量子信息应用和观测超辐射等相干效应方面具有很大的前景。为了研究这些可能性,将进行一系列实验,以确定固体氩气和氖气宿主中铥的低温线宽,解析晶体场分裂产生的基态子结构,增加最大光子循环速率,并尝试感知玻璃基板附近的环境。该奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(1)
专著数量(0)
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会议论文数量(0)
专利数量(0)
High resolution spectroscopy of thulium atoms implanted in solid noble gas crystals
植入固体惰性气体晶体中的铥原子的高分辨率光谱
  • DOI:
    10.1103/physrevb.108.214101
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Gaire, Vinod;Do, Mi Y.;Pei, Yiting;Semenova, Anthony;Parker, Colin V.
  • 通讯作者:
    Parker, Colin V.
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  • 通讯作者:
    Colin Parker

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