コヒーレントラマンビート分光によるY2SiO5結晶中の167Er3+イオンの超微細構造サブ準位間の位相緩和特性の解明

清水 薫 橋本大佑
量子光物性研究部

 原子やイオンが有する準安定なΛ型3準位系では、電磁波誘起透明化(EIT)やコヒーレントポピュレーショントラッピング(CPT)のように、3準位間のコヒーレンス形成に基づく量子状態の光制御が可能である。これらは、光と物質との間での量子情報の置き換えの手段、つまり量子メモリの実現手段としても興味をもたれてきた。Y2SiO5結晶中に希薄ドープされたPr3+等の希土類イオンは、クライオスタット温度(<4 K)まで冷却すれば、固体中でも準安定なΛ型3準位系を提供しうる。一方、Er3+:Y2SiO5は光通信波長である1.55 µm帯に光学遷移を有し関心は高かったが、適切なΛ型3準位系が同定されたのは最近である[1]。ここでは存在比23%の167Er3+同位体の超微細構造サブ準位群の中から基底2準位が選択される。サブ準位の寿命t1は1.5 Kで100 ms程度であるが、メモリ寿命を左右する位相緩和時間t2は、測定の困難さゆえ不明であり、さらなる研究の進展を阻んでいた。
 通常、t2の値はラマンフォトンエコーや光補助スピンエコーにより測定できるが、そのためには光学遷移の位相コヒーレンスT2か、サブ準位寿命t1がある程度長いことが必要である。Er3+:Y2SiO5では平均電子磁気モーメントが有限で、磁気的な揺らぎに敏感なため、上記の条件を充たせない。一方、コヒーレントラマンビートの過程は、T2t1の制約を受けないが、光パルス幅をT2以下にすることでスペクトルが拡がるため、サブ準位の不均一広がりに伴う減衰と、サブレベル位相緩和に起因する減衰とを区別するのが一般には難しい。
 今回、我々は濃度の違うEr3+:Y2SiO5結晶に対して、コヒーレントラマンビート分光信号(図1)の減衰レートを注意深く比較することにより、初めてt2の値を明らかにできた[2]。温度2.3 Kのとき、Er3+イオン濃度が0.005 at%(図2)および0.001 at%の場合、t2の値は12 µsおよび50 µsであった。これらは予想より長く、同位体や濃度の制御により200 µs以上に延ばすことも可能である。これより、光遷移に共鳴する制御光を強くし、ラビ周波数を2~3 MHzにすれば、EITやCPTは充分に実現可能であることが示唆された。

図1 (左)コヒーレントラマンビート分光の測定系。図2 (右)サブ準位位相緩和レート(1/t2)の温度依存性。