En ny teknik til strålingskøling af spin-ensembler

Forskere ved CEA/CNRS/Université Paris Saclay, University College London og ETH Zurich har for nylig udtænkt en ny metode til at kontrollere temperaturen i et spin-ensemble ved at øge elektronspin-polariseringen over dets termiske ligevægtsværdi. Deres forskning, med i Naturfysik , bygger på en undersøgelse, de gennemførte tilbage i 2016.

I deres tidligere arbejde, holdet viste, at under visse betingelser, den mest fremtrædende afslapningskanal, der gjorde det muligt for elektronspin at vende tilbage til termisk ligevægt, var den spontane emission af en mikrobølgefoton ind i den resonator, de brugte i deres eksperimenter. Dette fænomen er kendt som Purcell-effekten.

For at nå Purcell-regimet, resonatoren kræver to nøglekarakteristika:Den skal have en lille lydstyrke, og opnå målinger af høj kvalitet. Disse betingelser kan opfyldes af plane mikroresonatorer, der er lavet af superledende materialer såsom niobium.

"Efter dette tidligere arbejde, vi indså, at i Purcell-regimet, spins slapper ikke kun af hurtigere takket være mikrobølgeresonatoren, men at de også termaliserer til den temperatur, der er indstillet af mikrobølgefeltet i resonatoren i stedet for temperaturen på den krystal, hvori de er indsat, " Patrice Bertet, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Denne nye indsigt førte til ideen om, at spintemperaturen faktisk er afkoblet fra prøven, og at man dermed også skulle være i stand til at sænke den under prøvetemperaturen blot ved at køle mikrobølgefeltet inde i resonatoren ned."

Afkøling af spin-ensembler kan føre til fascinerende resultater, da det øger deres polarisering, og med det, det signal, der kan detekteres i magnetiske resonansforsøg. Undersøgelsen udført af Bertet og hans kolleger havde to hovedmål.

For det første, forskerne ønskede at bevise, at i Purcell-regimet, centrifugeringstemperaturer er afkoblet fra gitteret og fastsat udelukkende af mikrobølgemiljøet. For det andet de satte sig for at udvikle en ny teknik til at hyperpolarisere et spin-ensemble.

"Vores andet mål var at demonstrere en ny universel måde at hyperpolarisere et ensemble af elektronspin, " sagde Bertet. "Dette kan have mange interessante anvendelser, siden i magnetisk resonans, mængden af ​​signal, der kan detekteres, er i sidste ende begrænset af ensemblets termiske polarisering. Derfor, hyperpolarisering fører til et forbedret detekteringssignal-til-støj-forhold for et givet antal spin."

De fleste af eksperimenterne og dataanalysen til undersøgelsen blev udført af Bartolo Albanese som en del af hans ph.d. afhandling ved CEA Saclay med hjælp fra alle medforfattere. I sine eksperimenter, Albanese brugte en siliciumkrystal med implanterede donorspin og en mikroresonator ovenpå. Resonatoren blev brugt både til at detektere spin-signalet og til at demonstrere spin-køleeffekten.

"For at sænke mikrobølgefelttemperaturen inde i niobiumresonatoren, vi tilsluttede simpelthen resonatorens indgang til en 50 ohm modstand afkølet ved en lavere temperatur, Bertet forklarede. Mere præcist, vi installerede prøven indeholdende spins og detektionsresonatoren ved en temperatur på 850mK."

Efterfølgende Bertet, Albanese og deres kolleger koblede resonatorindgangen til en 50 ohm modstand afkølet til 20mK, ved hjælp af et koaksialkabel. Hvis mikrobølgetabet er lavt, denne procedure er nok til også at nedkøle intra-resonatorfeltet og til gengæld spinner elektronen.

I deres nylige undersøgelse, forskerne demonstrerede med succes den strålingskøling af et spin-ensemble ved at sammenligne spin-signalet under to forskellige forhold. I den første betingelse, kaldet hot-konfiguration, resonatorindgangen var koblet til en 50 ohm modstand ved samme temperatur som prøven. I den anden betingelse, kaldet kold konfiguration, resonatoren var forbundet til 50 ohm modstanden ved 10 mK.

"Vi observerede, at spin-signalet steg med en faktor 2,3 i den kolde konfiguration, beviser, at spins afkøles strålingsmæssigt et godt stykke under prøvetemperaturen, sagde Bertet. Desuden vi observerede en stigning i spin-afslapningstid i den kolde konfiguration med samme faktor, som forudsagt af teori. Vores observationer er meningsfulde både på teoretiske og eksperimentelle grunde."

Fra et teoretisk perspektiv, eksperimenterne viser, at i Purcell-regimet, centrifugeringer termaliserer til en temperatur bestemt af mikrobølgemiljøet uanset prøvens temperatur. Denne effekt, som aldrig var blevet observeret før, bekræfter relevansen af ​​Purcell-regimet til magnetisk resonansapplikationer.

Fra et mere praktisk synspunkt, den strålingskølingsteknik introduceret af Bertet og hans kolleger er den første, der muliggør 'universel' hyperpolarisering i elektronspin. Denne metode er 'universel' i den forstand, at den kan anvendes på alle elektronspin, der kan bringes ind i Purcell-regimet.

I fremtiden, den af ​​forskerne udtænkte køleteknik kunne således have flere praktiske anvendelser. For eksempel, det kunne hjælpe med at øge signal-til-støj-forholdet for elektron paramagnetisk resonans (EPR) spektroskopi.

"En begrænsning af afkølingsordningen som realiseret i vores eksperiment er brugen af ​​en forkølelse, 50 ohm modstand til at køle mikrobølgefeltet i detektionsresonatoren, og deraf spins, " sagde Bertet. "Denne modstand gør det umuligt at køle spinsene ned ved en temperatur, der ville være lavere end den laveste temperatur, der er fysisk tilgængelig i kryostaten. Vores mål i fremtidige undersøgelser vil være at overvinde denne begrænsning, samt at demonstrere radiativ spin-køling ved en vilkårligt lav temperatur ved aktivt at afkøle feltet."

© 2020 Science X Network