Spins in Quantum Solids

Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, ein experimentelles Gerüst zu entwickeln, das das Gebiet der Quantenfestkörper mit der Atomphysik und dem Gebiet der supraleitenden Schaltkreise kombiniert. Wir schlagen vor, Quantenfestkörper, die direkt auf supraleitenden Resonatoren wachsen, als Wirtsmaterial zu verwenden, um Atome einzufangen und sie an das quantisierte Feld eines Resonators zu koppeln. Quantenfeststoffe, die üblicherweise aus gefrorenen Edelgasen - oder im vorliegenden Fall aus geforerenem Wasserstoff - bestehen, weisen interessante und kontraintuitive Eigenschaften auf, die für diese Zwecke vorteilhaft sein sollten. Sie sind extrem weich und weisen kein signifikantes Spin-Bad auf. Daher sollte der Kristall wenig Einfluss auf die Kohärenzeigenschaften der eingefangenen Atome haben, was wiederum zu langen Kohärenzzeiten und einer Möglichkeit führen würde, leistungsfähige und nützliche hybride Quantensysteme zu entwickeln. Um das System zu untersuchen, beginnen wir mit Rubidium als implantierter Verunreinigung, da sein bekanntes und einfaches Niveauschema die Untersuchung erleichtert. Aufgrund der Art des Experiments kann jedoch jedes Atom und/oder Molekül in dem Kristall implantiert und an den Resonator gekoppelt werden. Dies gibt uns große Flexibilität und ermöglicht es uns, verschiedene Emitter mit minimalen Änderungen am Versuchsaufbau zu untersuchen. Die Quantenkristalle werden direkt auf einem zweidimensionalen supraleitenden Resonator gezüchtet, der weit unter den Gefrierpunkt von Wasserstoff abgekühlt ist, während gleichzeitig Atomdampf aus einem Ofen während des Wachstums des Kristalls implantiert wird. Dies erfordert, dass die Experimente in einem Kryostaten durchgeführt werden, der Temperaturen erreichen kann, die kalt genug sind, um die Supraleitung der Resonatoren aufrechtzuerhalten und die Atome in ihrem Grundzustand thermisch zu polarisieren. Daher wird das Experiment in einem modifizierten adiabatischen Demagnierungskühlschrank durchgeführt, der so ausgestattet ist, dass er das Kristallwachstums- und Atomabscheidungsverfahren einbezieht und gleichzeitig Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt von Wasserstoff sowie der Energie des Mikrowellenübergangs der untersucht wird ermöglicht. Dieses Experiment untersucht ein völlig neues Regime hybrider Quantensysteme und ermöglicht das Studium neuer und aufregender Physik, da es die Komplexität dieser Art von Experimenten erheblich reduzieren und die Modularität erhöhen kann. Die Flexibilität bei der Auswahl der Verunreinigungen im Quantenkristall ermöglicht die Untersuchung verschiedener Arten von Physik, die von Atomen mit potenziell hoher Kohärenz (wie Alkalimetallen) über Atome mit einem höheren magnetischen Moment (wie seltene Erden) bis hin zur reichen Physik der Moleküle-Übergänge reicht, die auch ohne großen Aufwand in so einem Kristall eingefangen werden können.