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Spin dynamics in hybrid quantum systems
alkali atoms in cryogenic crystals
Nikolaos Lagos
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Markus Aspelmeyer
DOI
10.25365/thesis.80293
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-23850.85040.380683-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diese Arbeit präsentiert eine experimentelle Untersuchung eines hybriden Quantensystems, bestehend aus einem Ensemble von Natriumatomen, eingebettet in eine Neonmatrix, das stark mit einem supraleitenden Mikrowellenresonator bei Millikelvin-Temperaturen gekoppelt ist. Unter Anwendung von Prinzipien der Kavitäts-Quantenelektrodynamik demonstrieren wir eine starke kollektive Kopplung zwischen dem Spinensemble und dem Resonator, wie durch Vakuum-Rabi-Splitting in stationären Transmissionsspektren nachgewiesen wird. Die Natriumspins sind thermisch in das niedrigere Hyperfeinniveau polarisiert, was eine kohärente Wechselwirkung mit dem Resonatormodus ermöglicht. Zeitbereichs-Kohärenzmessungen werden mit Hahn-Echo- und Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG)-Sequenzen zur dynamischen Entkopplung durchgeführt. Eine sorgfältige Pulskalibrierung optimiert die Amplituden und Dauern der Mikrowellenpulse für eine effektive Spinmanipulation. Hahn-Echo-Experimente liefern eine Kohärenzzeit von \( T_2 = 768^{+64}_{-53}\,\mu\mathrm{s} \) bei 65\,mK, während die CPMG-Sequenz, welche mehrere Refokussierungspulse verwendet, die Kohärenzzeit auf \( T_2 = 1.36^{+0.09}_{-0.06} \) ms verlängert und somit eine Unterdrückung inhomogener Dephasierung und Umweltgeräusche demonstriert. Die experimentellen Daten werden durch Anpassungen an etablierte theoretische Modelle analysiert, um Schlüsselparameter wie Kopplungsstärken und Kohärenzzeiten zu extrahieren. Spinensemble in kryogenen Quantenfestkörpern bieten eine vielseitige Plattform zur Untersuchung kollektiver Quanteneffekte in Festkörpersystemen. Diese Arbeit liefert experimentelle Einblicke in Spin-Photon-Wechselwirkungen in solchen hybriden Systemen und legt die Grundlage für zukünftige Forschungen, die auf die Verbesserung der Kohärenzzeiten und die Erforschung potenzieller Anwendungen als Quanten-Speicher abzielen.
Abstract
(Englisch)
This thesis presents an experimental investigation of a hybrid quantum system comprising an ensemble of sodium atoms embedded in a neon matrix, strongly coupled to a superconducting microwave resonator operating at millikelvin temperatures. Utilizing principles of cavity quantum electrodynamics, we demonstrate strong collective coupling between the spin ensemble and the resonator, as evidenced by vacuum Rabi splitting in steady-state transmission spectra. The sodium spins are thermally polarized into the lower hyperfine manifold, facilitating coherent interaction with the resonator mode. Time-domain coherence measurements are performed using Hahn echo and Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) dynamical decoupling sequences. Careful pulse calibration is conducted to optimize the microwave pulse amplitudes and durations for effective spin manipulation. Hahn echo experiments yield a coherence time \( T_2 = 768^{+64}_{-53}\,\mu\mathrm{s} \) at 65 mK, while the CPMG sequence, employing multiple refocusing pulses, extends the coherence time to \( T_2 = 1.36^{+0.09}_{-0.06} \) ms, demonstrating suppression of inhomogeneous dephasing and environmental noise. The experimental data are analyzed using fits based on established theoretical models to extract key parameters such as coupling strengths and coherence times. Spin ensembles in cryogenic quantum solids provide a versatile platform for investigating collective quantum effects in solid-state systems. This thesis offers experimental insights into spin-photon interactions within such hybrid systems and lays groundwork for future research aimed at improving coherence times and exploring potential quantum memory applications.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Hybrides Quantensystem Natriumatome Quantenoptik Kohärenzzeit Mikrowellenresonator Spindynamik Licht–Materie-Wechselwirkung Dynamische Entkopplung Pulssequenz
Schlagwörter
(Englisch)
Hybrid Quantum System Sodium Atoms Quantum Optics Coherence Time Microwave Cavity Spin Dynamics Light–Matter Interaction Dynamical Decoupling Pulse Sequence
Autor*innen
Nikolaos Lagos 
Haupttitel (Englisch)
Spin dynamics in hybrid quantum systems
Hauptuntertitel (Englisch)
alkali atoms in cryogenic crystals
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
viii, 77 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Markus Aspelmeyer
Klassifikationen
33 Physik > 33.23 Quantenphysik ,
33 Physik > 33.38 Quantenoptik. nichtlineare Optik
AC Nummer
AC17779538
Utheses ID
77910
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |