Abstract

Recent electron spin resonance experiments on CaWO\(_4\):Gd\(^{3+}\) and other magnetic impurities have demonstrated that sustained Rabi oscillations can be created by driving a magnetic moment with a microwave field frequency slightly larger than the Larmor frequency and tuned to the Floquet resonance, together with another microwave field (image drive) with a frequency smaller than the Larmor frequency. These observations are confirmed by the new experimental results reported in this paper. We use numerical and analytical techniques to study the interplay between the microwave drives and three different mechanisms of relaxation. The first model describes a magnetic moment subject to microwave fields, interacting with a bath of two-level systems which acts as a source of decoherence and dissipation. The second model describes identical, interacting magnetic moments, subject to the same microwave fields. The decay of the Rabi oscillations is now due to the interactions. Third, we study Rabi oscillation decay due to the inhomogeneity of the microwave radiation. We show that under appropriate conditions, and in particular at the Floquet resonance, the magnetization exhibits sustained Rabi oscillations, in some cases with additional beatings. Although these two microscopic models separately describe the experimental data well, a simulation study that simultaneously accounts for both types of interactions is currently prohibitively costly. To gain further insight into the microscopic dynamics of these two different models, we study the time dependence of the bath and system energy and of the correlations of the spins, data that are not readily accessible experimentally.

Graphic abstract

中文翻译：

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通过使用相位可调图像驱动来维持拉比振荡

摘要

最近在 CaWO \(_4\)上进行的电子自旋共振实验：Gd \(^{3+}\)和其他磁性杂质已经证明，持续的拉比振荡可以通过驱动一个微波场频率略大于拉莫尔频率并调谐到 Floquet 共振的磁矩，以及另一个频率小于拉莫尔频率的微波场（图像驱动）来产生。拉莫尔频率。本文报道的新实验结果证实了这些观察结果。我们使用数值和分析技术来研究微波驱动器和三种不同的弛豫机制之间的相互作用。第一个模型描述了受微波场影响的磁矩，它与作为退相干​​和耗散源的两能级系统相互作用。第二个模型描述了相同的、相互作用的磁矩，受相同的微波场影响。拉比振荡的衰减现在是由于相互作用。第三，我们研究了由于微波辐射的不均匀性导致的拉比振荡衰减。我们表明，在适当的条件下，特别是在 Floquet 共振下，磁化强度表现出持续的拉比振荡，在某些情况下还有额外的跳动。尽管这两个微观模型分别很好地描述了实验数据，但同时考虑两种类型的相互作用的模拟研究目前的成本高得令人望而却步。为了进一步了解这两种不同模型的微观动力学，我们研究了浴和系统能量的时间依赖性以及自旋的相关性，这些数据在实验中不容易获得。我们研究了由于微波辐射的不均匀性导致的拉比振荡衰减。我们表明，在适当的条件下，特别是在 Floquet 共振下，磁化强度表现出持续的拉比振荡，在某些情况下还有额外的跳动。尽管这两个微观模型分别很好地描述了实验数据，但同时考虑两种类型的相互作用的模拟研究目前的成本高得令人望而却步。为了进一步了解这两种不同模型的微观动力学，我们研究了浴和系统能量的时间依赖性以及自旋的相关性，这些数据在实验中不容易获得。我们研究了由于微波辐射的不均匀性导致的拉比振荡衰减。我们表明，在适当的条件下，特别是在 Floquet 共振下，磁化强度表现出持续的拉比振荡，在某些情况下还有额外的跳动。尽管这两个微观模型分别很好地描述了实验数据，但同时考虑两种类型的相互作用的模拟研究目前的成本高得令人望而却步。为了进一步了解这两种不同模型的微观动力学，我们研究了浴和系统能量的时间依赖性以及自旋的相关性，这些数据在实验中不容易获得。磁化表现出持续的拉比振荡，在某些情况下还有额外的跳动。尽管这两个微观模型分别很好地描述了实验数据，但同时考虑两种类型的相互作用的模拟研究目前的成本高得令人望而却步。为了进一步了解这两种不同模型的微观动力学，我们研究了浴和系统能量的时间依赖性以及自旋的相关性，这些数据在实验中不容易获得。磁化表现出持续的拉比振荡，在某些情况下还有额外的跳动。尽管这两个微观模型分别很好地描述了实验数据，但同时考虑两种类型的相互作用的模拟研究目前的成本高得令人望而却步。为了进一步了解这两种不同模型的微观动力学，我们研究了浴和系统能量的时间依赖性以及自旋的相关性，这些数据在实验中不容易获得。

图形摘要