Кристалл, в котором свет живёт дольше экспресс
Светящаяся точка в кристалле — как маяк в тумане: чем дольше она горит, тем надёжнее сигнал. В квантовых устройствах роль такого маяка играют ионы редкоземельных металлов, встроенные в прозрачную решётку. Они поглощают энергию и отдают её в виде вспышки света. Но если рядом есть атомы с магнитным моментом, вспышка быстро гаснет.
Исследователи взяли оксид церия — вещество, где все ядра атомов «магнитно молчат». В такую плёнку добавили два вида ионов: эрбий и тулий. Эрбий светился 2,9–5,3 миллисекунды — это как лампа, которая горит, пока читаешь абзац. Тулий вспыхивал и гас за 14–68 микросекунд — быстрее, чем моргает глаз.
Расчёты подтвердили: в тулии электронные облака кислорода и тулия накладываются, как два круга на диаграмме. У эрбия круги почти не пересекаются. Поэтому эрбий в оксиде церия — перспективный кандидат для квантовой памяти, где фотон должен храниться как можно дольше.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2603.25234
In highly purified host, the coherence of quantum emitters is ultimately limited by hyperfine interactions between the emitter and lattice nuclei possessing non-zero nuclear magnetic moments. This limitation can only be mitigated through isotopic purification. In this work, we investigate CeO2 as a host composed entirely of nuclei with zero nuclear moment. High-quality CeO2 thin films were grown by PLD and doped with Tm and Er ions. Structural characterization using X-ray diffraction, atomic force microscopy, and ion channeling confirms single-crystalline, atomically smooth films with dopants substitutionally incorporated at Ce lattice sites. Photoluminescence lifetime measurements show significantly longer lifetimes for Er-doped CeO2 (2.9 - 5.3 ms) compared with Tm-doped films (14 - 68 {\mu}s). Moreover, the Er-doped PLD films exhibit longer lifetimes at ~1% dopant concentration than previously reported for MBE-grown films. Density functional theory calculations reveal a substantial overlap between unoccupied O 2p and Tm 4f states near the valence band maximum, whereas Er 4f states remain well isolated. This electronic interaction likely introduces non-radiative recombination pathways in Tm-doped CeO2, explaining the reduced lifetimes. These findings highlight the importance of selecting appropriate dopant-host combinations and optimized growth conditions to minimize non-radiative channels for quantum applications.
Оксид церия — одно из немногих веществ, где у всех природных изотопов ядра имеют нулевой магнитный момент. Такая «магнитная тишина» позволяет квантовым состояниям жить дольше.