Using an inverted spin ensemble as a photon source

Abstract

In diesem Jahrhundert wird ein technologischer Durchbruch in der Informationstechnologie mit Hilfe von hybriden Quantensystemen erwartet. Um solche Systeme auch im täglichen Leben verwenden zu können, muss jedoch die kontrollierte Manipulation dieser verstanden werden. Für zukünftige technologische Anwendungen scheint die Verwendung von Spinensembles von Festkörpern in Resonatoren ein sehr vielersprechender Ansatz zu sein, da solche Systeme recht einfach vergrößert werden können. Daher wird die kontrollierte Manipulation von Defekten im Diamant, sogenannte negativ geladene Stickstofffehlstellenzentren, mit einem Resonator in dieser Arbeit untersucht. Zuerst designen wir Mikrowellenpulse, mit denen wir das makroskopische Spinensemble mit hoher Genauigkeit invertieren. Dann wird im Hauptteil der Arbeit gezeigt, dass durch das Ändern des Magnetfeldes und in weiterer Folge durch die Änderung der Übergangsfrequenz zwischen angeregtem und Grundzustand solch ein invertiertes Spinensemble stabilisiert werden kann. Zusätzlich lässt sich, nachdem man das Spinsystem zurück in Resonanz gebracht hat, eine Photonenlawine,ausgelöst durch superradianten Spinzerfall, beobachten. Auf diese Art und Weise können wir die Spins für einige Millisekunden invertiert halten. Dieser kontrollierte Zerfall kann daher verwendet werden, um eine “Quantenbatterie” zu bauen. Außerdem zeigen wir, dass ein solches invertiertes Spinsystem als Quantendetektor zu nutzen ist, der beliebig schwache Mikrowellenpulse detektieren kann, da sein physikalisches Limit durch Schwarzkörperstrahlung gegeben ist. Zusätzlich zeigen wir numerisch eine zweite Art wie das invertierte Spinensemble stabilisiert werden kann wodurch die Zeit in der eine Detektion möglich ist verlängert wird. Diese Zeit ist jetzt nur durch den inhärenten Spinzerfall, welcher durch Spin-Spin Wechselwirkungen verursacht wird, limitiert.

In the most recent century a technological breakthrough in information-technology, using hybrid quantum systems, is expected. To be able to use such systems in daily life, however, the controlled manipulation of them needs to be understood. For future technological implementations the usage of solid state spin ensembles in cavities seems a very promising approach since these systems can be scaled up easily. Therefore, the controlled manipulation of defects in diamond, so-called negatively charged nitrogen vacancy centers, with a single mode microwave cavity is studied in the present thesis. At first, we design microwave pulses with which we invert our macroscopic spin system with high fidelity. Then, in the main part of the thesis, it is shown that by changing the magnetic field and as a consequence the transition frequency between the excited and the ground state such an inverted spin system can be stabilized. Moreover, after bringing the spin system back into resonance, one observes a photon burst caused by superradiant spin decay. By doing so, we are able to hold the spins inverted for some milliseconds. This controlled decay can therefore be used to build a “quantum battery”. We furthermore demonstrate, how such an inverted spin system can be used as a quantum detector which can detect arbitrary weak pulses since its physical limit is given by the blackbody radiation. Additionally, we numerically demonstrate a second stabilization method for the inverted spin ensemble by which one can extend the time in which a detection is possible. This time is now only limited by the inherent spin decay caused by spin-spin interactions.