Coherent optical and spin control of $\mathrm{Eu}^{3+}$-based molecular complexes for quantum information applications

Abstract

Das zunehmende Forschungsfeld optisch adressierbarer und spintragender molekularer Systeme entwickelt sich gegenwärtig als vielversprechende Alternative zu traditionellen festkörperbasierten Quantenemittern. Diese molekularen Systeme bieten spezifische Vorteile: ihre chemische Struktur sowie das Ligandenumfeld können durch gezieltes chemisches Design präzise angepasst werden, um die Materialeigenschaften zu verbessern, indem die Dekohärenzmechanismen von optischen und spinbasierten Übergängen reduziert werden. Diese Arbeit präsentiert eine umfassende experimentelle Untersuchung von fünf $\mathrm{Eu}^{3+}$-basierten molekularen Komplexen mit dem vorrangigen Ziel, vielversprechende Kandidaten für zukünftige Quanteninformationsanwendungen zu identifizieren. Der Referenzkomplex $[\mathrm{Eu(BA)}_4\mathrm{(pip)}]$ diente dabei als Grundlage für die Entwicklung und Validierung aller spektroskopischen Methoden, die im Verlauf dieser Arbeit angewandt wurden. Durch die systematische Charakterisierung der Referenzprobe $[\mathrm{Eu(BA)}_4\mathrm{(pip)}]$ mittels der Ensemblespektroskopie, die Photolumineszensanregungsspektren, spektrales Lochbrennen, freien Induktionszerfall sowie Photonechos umfasst, wurde ein experimenteller Rahmen geschaffen, der auf alle weiteren Proben angewendet werden konnte. Unter den untersuchten molekularen Komplexen erwies sich der dinukleare Komplex $[\mathrm{Eu}_2\mathrm{(btfa)}_6\mathrm{(bpim)}]$ als besonders vielversprechend, da es nach $[\mathrm{Eu(BA)}_4\mathrm{(pip)}]$ erst das zweite System ist, an dem ein eindeutiges Photonechosignal beobachtet werden konnte. Die daraus bestimmte optische Kohärenzzeit beträgt 1,96 µs. Zudem bietet die dinukleare Struktur von $[\mathrm{Eu}_2\mathrm{(btfa)}_6\mathrm{(bpim)}]$ die Möglichkeit, ein Zwei-Qubit-Gatter zu realisieren, das über elektrische Dipol-Dipol-Wechselwirkungen kontrolliert werden kann. Eine weitere bemerkenswerte Beobachtung bei den meisten $\mathrm{Eu}^{3+}$-basierten Komplexen ist die lange Hyperfeinlebensdauer, die im Fall von $[\mathrm{Eu(trensal)}]$ etwa 8 min beträgt und auf gute spinbasierte Kohärenzeigenschaften hindeutet. Die Referenzprobe $[\mathrm{Eu(BA)}_4\mathrm{(pip)}]$ wies darüber hinaus eine sehr schmale inhomogene Linie mit einer Breite von 1,95 GHz auf, die deutlich geringer ist als der in der Literatur berichtete Wert [1]. Diese Verbesserung wurde durch die erfolgreiche Rekristallisation makroskopischer Einkristalle erzielt, die im Vergleich zu Pulver oder mikrokristallinen Proben eine bessere strukturelle Ordnung besitzen. Auch die extrem schmalen spektralen Löcher motivierten weitere Untersuchungen solcher makroskopischer Materialien. Angesichts des bestehenden Bedarfs an überzeugenden Spineigenschaften in molekularen Systemen, wobei insbesondere in $\mathrm{Eu}^{3+}$-basierten Komplexen noch keine Spinsignatur nachgewiesen werden konnte, wurde der Fokus anschließend auf deren gezielte Untersuchung gelegt. Durch die Integration einer zylindrischen Hochfrequenz-Spule in den kryogenen Aufbau konnten erstmals optisch detektierte Kernspinmagnetresonanzen auf beiden Hyperfeinübergängen des Isotops $\mathrm{}^{151}\mathrm{Eu}^{3+}$ gemessen werden. Dadurch gelang es, eine kohärente Kontrolle des Kernspins mittels Rabi-Oszillationen zu demonstrieren. Anschließend erfolgte eine erste Bestimmung der Spinkohärenzzeit von 613 µs, die über ein Spinecho-Experiment gemessen wurde. Die Verwendung von dynamischer Entkopplung über die CPMG-Pulssequenz verlängerte die Spinkohärenzzeit auf 2 ms. Diese Ergebnisse stellen einen Meilenstein in der Spincharakterisierung von auf seltenen Erden basierenden molekularen Systemen dar. Neben der Spektroskopie wurde auch ein neuartiger, tieftemperaturtauglicher optischer Fabry-Pérot-Resonator auf Basis einer scannbaren Piezoröhre entwickelt, der bei Raumtemperatur Scanbewegungen in alle drei Raumrichtungen ermöglicht. Das System erreichte eine passive Stabilität von 0,7 nm RMS bei Raumtemperatur und 12,25 pm RMS bei einer Temperatur von 100 mK. Obwohl die laterale 2D-Rasterscanfähigkeit bei tiefen Temperaturen durch die verringerte Piezoauslenkung eingeschränkt wurde, konnte die mechanische Robustheit des Aufbaus in den ersten Experimenten bestätigt werden. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass diese Arbeit erstmals eine vollständige optische und spinbasierte Kohärenzcharakterisierung eines mit Selten-Erd-Ionen integrierten molekularen Emittersystems liefert, die als Grundlage für die Identifikation vielversprechender Materialien für Quanteninformationsanwendungen dienen kann. Mit weiteren Fortschritten in der Materialsynthese, der Integration in optische Resonatoren sowie der Erforschung und Reduktion von Dekohärenzmechanismen könnten molekulare Quantensysteme zunehmend an Bedeutung gewinnen und sich potenziell zu skalierbaren, robusten Plattformen für zukünftige Quantentechnologien entwickeln. [1] Serrano, D., Kuppusamy, S.K., Heinrich, B. et al., "Ultra-narrow optical linewidths in rare-earth molecular crystals". Nature 603, 241–246 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04316-2