171Yb3+:Y
2SiO5 possède donc des propriétés extrêmement intéressantes aux champs
magnétiques faibles qui font de lui un candidat prometteur à la fois en tant que mé- moire quantique large bande pour la lumière, mais également comme interface micro- onde/optique pour la transduction de qubits générés par des circuits supraconducteurs.
V.7 Perspectives
Pour la suite de cette étude, des simulations prenant en compte la largeur inhomogène de spin et la diffusion spatiale de la polarisation des spins pourraient être réalisées afin d’extraire les taux de flip-flop entre les différents niveaux hyperfins à partir des données expérimentales.
Des mesures de déclins d’anti-trou spectral à courts délais pourraient donner des infor- mations supplémentaires sur la dynamique des processus de flip-flop. Il serait notamment possible que le temps de cohérence de spin mesuré de 1 ms soit limité par ces relaxations croisées rapides, et donc que T2 soit limité par T1 à zéro champ magnétique.
Il pourrait être intéressant de réaliser des mesures du temps de cohérence de spin avec différentes distributions de population dans les niveaux hyperfins de la même façon qu’ont été faites les mesures de cohérence optique.
Pour finir, des mesures à très basse température (¥ mK), pour lesquelles la population pourrait être stockée dans un seul niveau hyperfin pourraient permettre d’atteindre des temps de cohérence optique très longs ainsi que pour certaines transitions de spin.
V.8 Points-clefs
• 171Yb3+:Y
2SiO5 possède une structure hyperfine exceptionnellement simple et des
largeurs inhomogènes étroites (< 600 MHz). Certaines transitions optiques sont isolées, même à champ nul, permettant un accès optique à un seul niveau de spin. • Les transitions de spin et optiques montrent un ZEFOZ pour un champ magnétique
nul, induisant une augmentation de la cohérence de spin (> 1 ms) et optique (200
µs). Cette étude correspond à la première démonstration d’un ZEFOZ dans un ion
Kramers et également pour une transition optique.
• Un effet de diffusion de polarisation de spin (appelé pompage global) est étudié. Cet effet permet de changer la distribution de population dans les niveaux hyperfins par pompage optique avec un laser fin spectralement. En fonction de cette distribution de niveaux, il est possible d’influencer le temps de cohérence optique ainsi que la durée des trous spectraux.
Chapitre VI
Vers un contrôle des interactions spin-
spin
Les travaux présentés dans ce chapitre sont publiés dans :
S. Welinski, C.W. Thiel, J. Dajczgewand, A. Ferrier, R.L. Cone, R.M Mac- farlane, T. Chanelière, A. Louchet-Chauvet, P. Goldner, Opt. Mater. 63 69–75 (2017) [217].
S. Welinski, P.J. Woodburn, N. Lauk, R. L Cone, C. Simon, P. Goldner, C. W Thiel, arXiv:1802.03354, (article en révision pour Phys. Rev. Lett.) [218].
VI.1 Introduction
Les ions de terres rares paramagnétiques sont des candidats extrêmement intéressants pour effectuer des transferts d’états quantiques depuis le domaine micro-onde vers le do- maine optique afin de construire des réseaux de télécommunication quantique [219,198]. Leurs moments magnétiques importants leur permettent de se coupler efficacement aux photons micro-ondes [60]. Cependant la conversion micro-onde-optique nécessite égale- ment un couplage fort avec les photons de la lumière. Deux choix sont alors possibles pour atteindre un couplage suffisant : travailler avec un ensemble important d’atomes [198,61] ou bien utiliser une cavité photonique [62,84,87].
Travailler avec un ensemble d’ions de terres rares permet d’augmenter considérable- ment l’absorption optique. Un autre effet d’ensemble est l’élargissement inhomogène des transitions optiques et de spin (voir I.5.3). Pour les transitions optiques, cet élargissment est généralement de l’ordre du GHz [31]. Or, la bande passante optique avec laquelle on peut adresser les ions reste souvent limitée à quelques MHz1, ce qui limite la partie des ions qui vont participer au processus (ions actifs). La majorité des ions restant ne parti- cipe pas au processus : ce sont des ions spectateurs. Ces ions spectateurs vont en revanche participer à l’élargissement homogène des transitions optiques et de spin des ions actifs. En particulier aux bas champs magnétiques2, ces ions vont participer à des interactions
1. La durée d’un pulse π est généralement de quelques µs (≈ MHz).
2. Dans le cadre cette étude nous nous plaçons dans les conditions permettant le developpement de 143
spin-spin dont la contribution à la largeur homogène est double:
• Tout d’abord ils peuvent participer à des relaxations croisées avec des spins actifs. Ces relaxations vont réduire leur T1, et donc leur T2 par l’intermédiaire du terme
1/2fiT1 dans l’équation (I.3).
• Les ions spectateurs peuvent également participer à des relaxations croisées entre eux, ce qui va créer des fluctuations de champ magnétique dans l’environnement local des spins actifs. Ces spins actifs vont donc subir de la diffusion spectrale dont la contribution à la largeur homogène est contenue dans le terme Γφdans l’équation
(I.3).
Nous avons vu dans le chapitre V qu’il était possible de rendre les transitions moins sensibles aux processus de déphasage en appliquant un champ magnétique dans des orien- tations particulières pour lesquelles le gradient Zeeman est fortement réduit. De cette ma- nière, il est possible de réduire fortement la contribution en Γφ de Γh. Il reste cependant
la composante de relaxation en 1/fiT1 qui peut fortement limiter le temps de cohérence.
La question que nous allons nous poser dans ce chapitre est : comment réduire les
processus de flip-flop sans pour autant réduire la concentration en ions de terres rares ?
Une relaxation croisée entre deux spins n’est possible que s’ils partagent une transition de même énergie. Un moyen pour limiter les interactions entre les ions actifs et les ions spectateurs serait donc de les rendre non-résonants. Dans ce chapitre nous verrons deux façons de limiter ces interactions entre spins en partant de cette idée.
• La première consiste à travailler avec des transitions de spin de l’état excité optique des ions actifs de façon à décorréler les ions actifs des ions spectateurs. En effet, les énergies des transitions de spin n’ont pas la même énergie dans l’état fondamental et sans l’état excité.
• La seconde consiste à augmenter la largeur inhomogène de spin des ions en ajoutant un désordre contrôlé dans le matériau. En augmentant cette largeur inhomogène, on baisse la probabilité qu’il y ait deux spins résonants proches l’un de l’autre. Ces deux études sont réalisées sur l’ion Er3+dans la matrice Y
2SiO5. L’erbium est un ion
paramagnétique d’intérêt technologique car il possède une transition optique (4I
15/2(0) ¡ 4I
13/2(0)) à 1.5 µm, la longueur d’onde télécom [71,220].