Onderzoekers van CEA/CNRS/Université Paris Saclay, University College London en ETH Zürich hebben onlangs een nieuwe methode bedacht om de temperatuur van een spin-ensemble te regelen door de elektronenspinpolarisatie boven de thermische evenwichtswaarde te verhogen. Hun onderzoek, te zien in Natuurfysica , bouwt voort op een onderzoek dat ze in 2016 hebben uitgevoerd.

In hun eerdere werk het team heeft aangetoond dat onder bepaalde omstandigheden, het meest prominente ontspanningskanaal dat ervoor zorgde dat elektronenspins terugkeerden naar thermisch evenwicht, was de spontane emissie van een microgolffoton in de resonator die ze in hun experimenten gebruikten. Dit fenomeen staat bekend als het Purcell-effect.

Om het Purcell-regime te bereiken, de resonator vereist twee belangrijke kenmerken:hij moet een klein modusvolume hebben, en het bereiken van hoogwaardige metingen. Aan deze voorwaarden kan worden voldaan door vlakke microresonatoren die zijn gemaakt van supergeleidende materialen zoals niobium.

"Na dit eerdere werk, realiseerden we ons dat in het Purcell-regime, spins ontspannen niet alleen sneller dankzij de microgolfresonator, maar dat ze ook thermaliseren tot de temperatuur die is ingesteld door het microgolfveld in de resonator in plaats van de temperatuur van het kristal waarin ze zijn ingebracht, "Patrice Bertet, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Dit nieuwe inzicht leidde tot het idee dat de spintemperatuur in feite is losgekoppeld van het monster, en dat men het dus ook onder de monstertemperatuur zou moeten kunnen verlagen door simpelweg het microgolfveld in de resonator af te koelen."

Koelende spin-ensembles kunnen tot fascinerende resultaten leiden, omdat het hun polarisatie vergroot, en daarmee het signaal dat kan worden gedetecteerd in magnetische resonantie-experimenten. Het onderzoek van Bertet en zijn collega's had twee hoofddoelen.

Ten eerste, wilden de onderzoekers bewijzen dat in het Purcell-regime, spintemperaturen worden ontkoppeld van het rooster en uitsluitend vastgelegd door de microgolfomgeving. Ten tweede, ze wilden een nieuwe techniek ontwikkelen om een ​​spin-ensemble te hyperpolariseren.

"Ons tweede doel was om een ​​nieuwe universele manier te demonstreren om een ​​ensemble van elektronenspins te hyperpolariseren, Bertet zei. "Dit kan tal van interessante toepassingen hebben, omdat in magnetische resonantie, de hoeveelheid detecteerbaar signaal wordt uiteindelijk beperkt door de thermische polarisatie van het ensemble. Daarom, hyperpolarisatie leidt tot een verbeterde detectie signaal-ruisverhouding voor een bepaald aantal spins."

De meeste experimenten en data-analyse voor de studie werden uitgevoerd door Bartolo Albanese als onderdeel van zijn Ph.D. proefschrift bij CEA Saclay met de hulp van alle co-auteurs. In zijn experimenten, Albanees gebruikte een siliciumkristal met geïmplanteerde donorspins en een microresonator erop. De resonator werd zowel gebruikt om het spinsignaal te detecteren als om het spinkoeleffect aan te tonen.

"Om de microgolfveldtemperatuur in de niobiumresonator te verlagen, we hebben gewoon de ingang van de resonator aangesloten op een weerstand van 50 ohm die op een lagere temperatuur is gekoeld, Bertet legde uit. "Meer precies, we hebben het monster met de spins en de detectieresonator geïnstalleerd op een temperatuur van 850 mK."

Vervolgens, Bertet, Albanese en hun collega's koppelden de resonatoringang aan een weerstand van 50 ohm, gekoeld tot 20 mK, met behulp van een coaxkabel. Als microgolfverliezen laag zijn, deze procedure is voldoende om ook het intra-resonatorveld en op zijn beurt de elektronspins af te koelen.

In hun recente studie, de onderzoekers hebben met succes de stralingskoeling van een spin-ensemble aangetoond door het spin-signaal onder twee verschillende omstandigheden te vergelijken. In de eerste toestand nagesynchroniseerde hete configuratie, de resonatoringang was gekoppeld aan een weerstand van 50 ohm bij dezelfde temperatuur als het monster. In de tweede toestand nagesynchroniseerde koude configuratie, de resonator was verbonden met de weerstand van 50 ohm bij 10 mK.

"We zagen dat het spinsignaal met een factor 2,3 toenam in de koude configuratie, waaruit blijkt dat spins door straling ver onder de monstertemperatuur worden gekoeld, ' zei Bertet. 'Bovendien, we zagen een toename van de spin-relaxatietijd in de koude configuratie met dezelfde factor, zoals voorspeld door de theorie. Onze waarnemingen zijn zowel op theoretische als experimentele gronden zinvol."

Vanuit een theoretisch perspectief, de experimenten bewijzen dat in het Purcell-regime, spins thermaliseren tot een temperatuur die wordt bepaald door de microgolfomgeving, ongeacht de temperatuur van het monster. Dit effect, die nog nooit eerder was waargenomen, bevestigt de relevantie van het Purcell-regime voor magnetische resonantietoepassingen.

Vanuit een meer praktisch oogpunt, de door Bertet en zijn collega's geïntroduceerde stralingskoelingstechniek is de eerste die 'universele' hyperpolarisatie in elektronenspins mogelijk maakt. Deze methode is 'universeel' in de zin dat ze kan worden toegepast op alle elektronenspins die in het Purcell-regime kunnen worden gebracht.

In de toekomst, de door de onderzoekers bedachte koeltechniek zou dus meerdere praktische toepassingen kunnen hebben. Bijvoorbeeld, het zou kunnen helpen om de signaal-ruisverhouding voor elektronenparamagnetische resonantie (EPR) spectroscopie te verhogen.

"Een beperking van het koelschema zoals gerealiseerd in ons experiment is het gebruik van een koude, 50 ohm weerstand om het microgolfveld in de detectieresonator af te koelen, en vandaar de spins, Bertet zei. "Deze weerstand maakt het onmogelijk om de spins af te koelen bij een temperatuur die lager zou zijn dan de laagste temperatuur die fysiek beschikbaar is in de cryostaat. Ons doel in toekomstige studies zal zijn om deze beperking te overwinnen, evenals om stralingsspinkoeling bij een willekeurig lage temperatuur aan te tonen door het veld actief te koelen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk