Optical pumping and readout of bismuth hyperfine states in silicon for atomic clock applications.
Optical pumping and readout of bismuth hyperfine states in silicon for atomic clock applications.
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DOI：
10.1038/srep10493
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发表时间：
2015-05-20
影响因子：
4.6
通讯作者：
Thewalt ML
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Saeedi K;Szech M;Dluhy P;Salvail JZ;Morse KJ;Riemann H;Abrosimov NV;Nötzel N;Litvinenko KL;Murdin BN;Thewalt ML
对基于半导体的量子信息技术的推动重新引起了人们对硅中浅施主的自旋态和光学跃迁的兴趣，包括近红外的施主束缚激子跃迁和中红外的里德堡跃迁或类氢跃迁。硅中最深的V族施主是铋，它有一个很大的零场基态超精细分裂，与目前无处不在的Rb原子钟标准所基于的Rb的超精细分裂相当。在这里，我们展示了可以使用中红外里德堡跃迁来读出铋的基态超精细布居，这类似于用光学读出的方式来读出Ru钟技术所基于的基态布居。我们进一步使用这些跃迁来展示通过共振激发束缚激子跃迁而产生的强大布居数泵浦，提出了几种可能的方法来实现使用硅中的铋或最终在富集态28Si中的固态原子钟。
The push for a semiconductor-based quantum information technology has renewed interest in the spin states and optical transitions of shallow donors in silicon, including the donor bound exciton transitions in the near-infrared and the Rydberg, or hydrogenic, transitions in the mid-infrared. The deepest group V donor in silicon, bismuth, has a large zero-field ground state hyperfine splitting, comparable to that of rubidium, upon which the now-ubiquitous rubidium atomic clock time standard is based. Here we show that the ground state hyperfine populations of bismuth can be read out using the mid-infrared Rydberg transitions, analogous to the optical readout of the rubidium ground state populations upon which rubidium clock technology is based. We further use these transitions to demonstrate strong population pumping by resonant excitation of the bound exciton transitions, suggesting several possible approaches to a solid-state atomic clock using bismuth in silicon, or eventually in enriched 28Si.
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