Spin dynamics in hybrid quantum systems

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 \ (T₂ = 768^+64-₅₃\, \) bei 65\, mK, während die CPMG-Sequenz, welche mehrere Refokussierungspulse verwendet, die Kohärenzzeit auf \ (T₂ = 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.