Rare-earth ions (REIs) doped into solid-state crystal hosts offer an attractive platform for realizing quantum interconnects that can function as quantum memories and quantum repeaters. The 4f valence electrons of REIs are shielded by 5s and 5p electrons and undergo highly coherent transitions even when embedded in host crystals. In particular, Er3+ has an optical transition in the telecom band that is suitable for low-loss communication. Recently, REIs in thin film systems have gained interest due to potential advantages in providing a flexible host crystal environment, enabling scalable on-chip integration with other quantum devices. Here, we investigate the structural and optical properties of Er-doped anatase TiO2 thin films on LaAlO3 (001) substrates. By choosing a system with minimal lattice mismatch and adjusting Er-dopant concentration, we achieve optical inhomogeneous linewidths of 5 GHz at 4.5 K. We show that 9 nm-thick buffer and capping layers can reduce the linewidth by more than 40%, suggesting a pathway to further narrowing linewidths in this system. We also identify that Er3+ ions mainly incorporate into substitutional Ti4+ sites with non-polar D2d symmetry, which makes Er dopants insensitive to the first order to local electric fields from impurities and is desirable for coherence properties of Er3+ spins.

1.
D.
Awschalom
,
K. K.
Berggren
,
H.
Bernien
,
S.
Bhave
,
L. D.
Carr
,
P.
Davids
,
S. E.
Economou
,
D.
Englund
,
A.
Faraon
,
M.
Fejer
,
S.
Guha
,
M. V.
Gustafsson
,
E.
Hu
,
L.
Jiang
,
J.
Kim
,
B.
Korzh
,
P.
Kumar
,
P. G.
Kwiat
,
M.
Lončar
,
M. D.
Lukin
,
D. A. B.
Miller
,
C.
Monroe
,
S. W.
Nam
,
P.
Narang
,
J. S.
Orcutt
,
M. G.
Raymer
,
A. H.
Safavi-Naeini
,
M.
Spiropulu
,
K.
Srinivasan
,
S.
Sun
,
J.
Vučković
,
E.
Waks
,
R.
Walsworth
,
A. M.
Weiner
, and
Z.
Zhang
,
PRX Quantum
2
,
017002
(
2021
).
4.
J. I.
Cirac
,
P.
Zoller
,
H. J.
Kimble
, and
H.
Mabuchi
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
3221
(
1997
).
5.
C.
Monroe
,
R.
Raussendorf
,
A.
Ruthven
,
K. R.
Brown
,
P.
Maunz
,
L. M.
Duan
, and
J.
Kim
,
Phys. Rev. A
89
,
022317
(
2014
).
6.
K.
Heshami
,
D. G.
England
,
P. C.
Humphreys
,
P. J.
Bustard
,
V. M.
Acosta
,
J.
Nunn
, and
B. J.
Sussman
,
J. Mod. Opt.
63
,
2005
(
2016
).
7.
M.
Bock
,
P.
Eich
,
S.
Kucera
,
M.
Kreis
,
A.
Lenhard
,
C.
Becher
, and
J.
Eschner
,
Nat. Commun.
9
,
1998
(
2018
).
8.
M.
Pechal
and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Phys. Rev. A
96
,
042305
(
2017
).
9.
T.
Zhong
,
J. M.
Kindem
,
J. G.
Bartholomew
,
J.
Rochman
,
I.
Craiciu
,
E.
Miyazono
,
M.
Bettinelli
,
E.
Cavalli
,
V.
Verma
,
S. W.
Nam
,
F.
Marsili
,
M. D.
Shaw
,
A. D.
Beyer
, and
A.
Faraon
,
Science
357
,
1392
(
2017
).
10.
P.
Campagne-Ibarcq
,
E.
Zalys-Geller
,
A.
Narla
,
S.
Shankar
,
P.
Reinhold
,
L.
Burkhart
,
C.
Axline
,
W.
Pfaff
,
L.
Frunzio
,
R. J.
Schoelkopf
, and
M. H.
Devoret
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
200501
(
2018
).
11.
R.
Valivarthi
,
MlG
Puigibert
,
Q.
Zhou
,
G. H.
Aguilar
,
V. B.
Verma
,
F.
Marsili
,
M. D.
Shaw
,
S. W.
Nam
,
D.
Oblak
, and
W.
Tittel
,
Nat. Photonics
10
,
676
(
2016
).
12.
C.
O'Brien
,
N.
Lauk
,
S.
Blum
,
G.
Morigi
, and
M.
Fleischhauer
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
063603
(
2014
).
13.
L.
Jiang
,
J. M.
Taylor
,
A. S.
Sørensen
, and
M. D.
Lukin
,
Phys. Rev. A
76
,
062323
(
2007
).
14.
D.
Lago-Rivera
,
S.
Grandi
,
J. V.
Rakonjac
,
A.
Seri
, and
H.
de Riedmatten
,
Nature
594
,
37
(
2021
).
15.
M.
Pompili
,
S. L. N.
Hermans
,
S.
Baier
,
H. K. C.
Beukers
,
P. C.
Humphreys
,
R. N.
Schouten
,
R. F. L.
Vermeulen
,
M. J.
Tiggelman
,
LdS
Martins
,
B.
Dirkse
,
S.
Wehner
, and
R.
Hanson
,
Science
372
,
259
(
2021
).
16.
Spectroscopic Properties of Rare Earths in Optical Materials
, edited by
G.
Liu
and
B.
Jacquier
(
Springer
,
Berlin/New York
,
2005
).
17.
D. D.
Awschalom
,
R.
Hanson
,
J.
Wrachtrup
, and
B. B.
Zhou
,
Nat. Photonics
12
,
516
(
2018
).
18.
A.
Ortu
,
A.
Tiranov
,
S.
Welinski
,
F.
Fröwis
,
N.
Gisin
,
A.
Ferrier
,
P.
Goldner
, and
M.
Afzelius
,
Nat. Mater.
17
,
671
(
2018
).
19.
M.
Zhong
,
M. P.
Hedges
,
R. L.
Ahlefeldt
,
J. G.
Bartholomew
,
S. E.
Beavan
,
S. M.
Wittig
,
J. J.
Longdell
, and
M. J.
Sellars
,
Nature
517
,
177
(
2015
).
20.
M.
Businger
,
A.
Tiranov
,
K. T.
Kaczmarek
,
S.
Welinski
,
Z.
Zhang
,
A.
Ferrier
,
P.
Goldner
, and
M.
Afzelius
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
053606
(
2020
).
21.
A. M.
Dibos
,
M.
Raha
,
C. M.
Phenicie
, and
J. D.
Thompson
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
243601
(
2018
).
22.
S. T.
Chen
,
M.
Raha
,
C. M.
Phenicie
,
S.
Ourari
, and
J. D.
Thompson
,
Science
370
,
592
(
2020
).
23.
M.
Raha
,
S. T.
Chen
,
C. M.
Phenicie
,
S.
Ourari
,
A. M.
Dibos
, and
J. D.
Thompson
,
Nat. Commun.
11
,
1605
(
2020
).
24.
T.
Zhong
,
J. M.
Kindem
,
J.
Rochman
, and
A.
Faraon
,
Nat. Commun.
8
,
14107
(
2017
).
25.
J. M.
Kindem
,
A.
Ruskuc
,
J. G.
Bartholomew
,
J.
Rochman
,
Y. Q.
Huan
, and
A.
Faraon
,
Nature
580
,
201
(
2020
).
26.
T.
Zhong
,
J. M.
Kindem
,
J. G.
Bartholomew
,
J.
Rochman
,
I.
Craiciu
,
V.
Verma
,
S. W.
Nam
,
F.
Marsili
,
M. D.
Shaw
,
A. D.
Beyer
, and
A.
Faraon
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
183603
(
2018
).
27.
T.
Zhong
,
J.
Rochman
,
J. M.
Kindem
,
E.
Miyazono
, and
A.
Faraon
,
Opt. Express
24
,
536
(
2016
).
28.
C.
O'Brien
,
T.
Zhong
,
A.
Faraon
, and
C.
Simon
,
Phys. Rev. A
94
,
043807
(
2016
).
29.
S.
Chen
,
S.
Ourari
,
M.
Raha
,
C. M.
Phenicie
,
M. T.
Uysal
, and
J. D.
Thompson
,
Opt. Express
29
,
4902
(
2021
).
30.
G.
Wolfowicz
,
F. J.
Heremans
,
C. P.
Anderson
,
S.
Kanai
,
H.
Seo
,
A.
Gali
,
G.
Galli
, and
D. D.
Awschalom
,
Nat. Rev. Mater.
6
,
906
(
2021
).
31.
M. L.
Dantec
,
M.
Rančić
,
S.
Lin
,
E.
Billaud
,
V.
Ranjan
,
D.
Flanigan
,
S.
Bertaina
,
T.
Chanelière
,
P.
Goldner
,
A.
Erb
,
B.
Liu Ren
,
D.
Estève
,
D.
Vion
,
E.
Flurin
, and
P.
Bertet
,
Sci. Adv.
7
,
eabj9786
(
2021
).
32.
A. M.
Dibos
,
M.
Raha
,
C. M.
Phenicie
, and
J. D.
Thompson
, in
Conference on Lasers and Electro-Optics
(
Optica Publishing Group
,
2018
).
33.
M. K.
Singh
,
A.
Prakash
,
G.
Wolfowicz
,
J.
Wen
,
Y.
Huang
,
T.
Rajh
,
D. D.
Awschalom
,
T.
Zhong
, and
S.
Guha
,
APL Mater.
8
,
031111
(
2020
).
34.
G.
Wolfowicz
,
M. K.
Singh
,
J.
Wen
,
S. E.
Sullivan
,
A.
Prakash
,
A. M.
Dibos
,
D. D.
Awschalom
,
F. J.
Heremans
, and
S.
Guha
, arXiv:2202.05376 (
2022
).
35.
T.
Zhong
and
P.
Goldner
,
Nanophotonics
8
,
2003
(
2019
).
36.
T.
Xie
,
J.
Rochman
,
J. G.
Bartholomew
,
A.
Ruskuc
,
J. M.
Kindem
,
I.
Craiciu
,
C. W.
Thiel
,
R. L.
Cone
, and
A.
Faraon
,
Phys. Rev. B
104
,
054111
(
2021
).
37.
G. G. G.
King
,
P. S.
Barnett
,
J. G.
Bartholomew
,
A.
Faraon
, and
J. J.
Longdell
,
Phys. Rev. B
103
,
214305
(
2021
).
38.
C. M.
Phenicie
,
P.
Stevenson
,
S.
Welinski
,
B. C.
Rose
,
A. T.
Asfaw
,
R. J.
Cava
,
S. A.
Lyon
,
N. P.
de Leon
, and
J. D.
Thompson
,
Nano Lett.
19
,
8928
(
2019
).
39.
A. M.
Ferrenti
,
N. P.
de Leon
,
J. D.
Thompson
, and
R. J.
Cava
,
npj Comput. Mater.
6
,
126
(
2020
).
40.
S.
Kanai
,
F. J.
Heremans
,
H.
Seo
,
G.
Wolfowicz
,
C. P.
Anderson
,
S. E.
Sullivan
,
G.
Galli
,
D. D.
Awschalom
, and
H.
Ohno
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
119
,
e2121808119
(
2022
).
41.
H.
Tang
,
K.
Prasad
,
R.
Sanjinès
,
P. E.
Schmid
, and
F.
Lévy
,
J. Appl. Phys.
75
,
2042
(
1994
).
42.
E.
Cicerrella
,
J. L.
Freeouf
,
L. F.
Edge
,
D. G.
Schlom
,
T.
Heeg
,
J.
Schubert
, and
S. A.
Chambers
,
J. Vac. Sci. Technol. A
23
,
1676
(
2005
).
43.
C. M.
Nelson
,
M.
Spies
,
L. S.
Abdallah
,
S.
Zollner
,
Y.
Xu
, and
H.
Luo
,
J. Vac. Sci. Technol. A
30
,
061404
(
2012
).
44.
S.
Zhang
,
N.
Galland
,
N.
Lučić
,
R.
Le Targat
,
A.
Ferrier
,
P.
Goldner
,
B.
Fang
,
Y.
Le Coq
, and
S.
Seidelin
,
Phys. Rev. Res.
2
,
013306
(
2020
).
45.
N.
Galland
,
N.
Lučić
,
B.
Fang
,
S.
Zhang
,
R.
Le Targat
,
A.
Ferrier
,
P.
Goldner
,
S.
Seidelin
, and
Y.
Le Coq
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
044022
(
2020
).
46.
M. J.
Thorpe
,
L.
Rippe
,
T. M.
Fortier
,
M. S.
Kirchner
, and
T.
Rosenband
,
Nat. Photonics
5
,
688
(
2011
).
47.
M.
Minohara
,
T.
Tachikawa
,
Y.
Nakanishi
,
Y.
Hikita
,
L. F.
Kourkoutis
,
J.-S.
Lee
,
C.-C.
Kao
,
M.
Yoshita
,
H.
Akiyama
,
C.
Bell
, and
H. Y.
Hwang
,
Nano Lett.
14
,
6743
(
2014
).
48.
M.
Murakami
,
Y.
Matsumoto
,
K.
Nakajima
,
T.
Makino
,
Y.
Segawa
,
T.
Chikyow
,
P.
Ahmet
,
M.
Kawasaki
, and
H.
Koinuma
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
2664
(
2001
).
49.
J. M.
McCormack
,
P. R.
Platt
, and
R. K.
Saxer
,
J. Chem. Eng. Data
16
,
167
(
1971
).
50.
P.
Stevenson
,
C. M.
Phenicie
,
I.
Gray
,
S. P.
Horvath
,
S.
Welinski
,
A. M.
Ferrenti
,
A.
Ferrier
,
P.
Goldner
,
S.
Das
,
R.
Ramesh
,
R. J.
Cava
,
N. P.
de Leon
, and
J. D.
Thompson
,
Phys. Rev. B
105
,
224106
(
2022
).
51.
G. S.
Herman
,
M. R.
Sievers
, and
Y.
Gao
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
3354
(
2000
).
52.
Y.
Liang
,
S.
Gan
,
S. A.
Chambers
, and
E. I.
Altman
,
Phys. Rev. B
63
,
235402
(
2001
).
53.
Y.
Du
,
D. J.
Kim
,
T. C.
Kaspar
,
S. E.
Chamberlin
,
I.
Lyubinetsky
, and
S. A.
Chambers
,
Surf. Sci.
606
,
1443
(
2012
).
54.
W.
Luo
,
C.
Fu
,
R.
Li
,
Y.
Liu
,
H.
Zhu
, and
X.
Chen
,
Small
7
,
3046
(
2011
).
55.
Z.
Rao
,
X.
Xie
,
X.
Wang
,
A.
Mahmood
,
S.
Tong
,
M.
Ge
, and
J.
Sun
,
J. Phys. Chem. C
123
,
12321
(
2019
).
56.
S.
Obregón
,
A.
Kubacka
,
M.
Fernández-García
, and
G.
Colón
,
J. Catal.
299
,
298
(
2013
).
57.
J. A. B.
Pérez
,
M.
Courel
,
R. C.
Valderrama
,
I.
Hernández
,
M.
Pal
,
F. P.
Delgado
, and
N. R.
Mathews
,
Vacuum
169
,
108873
(
2019
).
58.
N.
Harada
,
A.
Tallaire
,
D.
Serrano
,
A.
Seyeux
,
P.
Marcus
,
X.
Portier
,
C.
Labbé
,
P.
Goldner
, and
A.
Ferrier
,
Mater. Adv.
3
,
300
(
2022
).
59.
H. Y.
Hwang
,
Y.
Iwasa
,
M.
Kawasaki
,
B.
Keimer
,
N.
Nagaosa
, and
Y.
Tokura
,
Nat. Mater.
11
,
103
(
2012
).
60.
K.
Krishnaswamy
,
C. E.
Dreyer
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
90
,
235436
(
2014
).
61.
A. R.
Silva
and
G. M.
Dalpian
,
J. Alloys Compd.
684
,
544
(
2016
).
62.
Y.
Wang
,
H.
Sun
,
S.
Tan
,
H.
Feng
,
Z.
Cheng
,
J.
Zhao
,
A.
Zhao
,
B.
Wang
,
Y.
Luo
,
J.
Yang
, and
J. G.
Hou
,
Nat. Commun.
4
,
2214
(
2013
).
63.
H.
Sun
,
W.
Lu
, and
J.
Zhao
,
J. Phys. Chem. C
122
,
14528
(
2018
).
You do not currently have access to this content.