Forskare vid CEA/CNRS/Université Paris Saclay, University College London och ETH Zürich har nyligen tagit fram en ny metod för att kontrollera temperaturen på ett spinnensemble genom att öka elektronspinnspolarisationen över dess termiska jämviktsvärde. Deras forskning, med i Naturfysik , bygger på en studie som de genomförde 2016.

I deras tidigare arbete, laget visade att under vissa förutsättningar, den mest framträdande avslappningskanalen som gjorde det möjligt för elektronspinn att återgå till termisk jämvikt var spontan emission av en mikrovågsfoton till resonatorn de använde i sina experiment. Detta fenomen är känt som Purcell -effekten.

För att nå Purcell -regimen, resonatorn kräver två viktiga egenskaper:Den ska ha en liten lägesvolym, och uppnå högkvalitativa mätningar. Dessa villkor kan uppfyllas av plana mikroresonatorer som är gjorda av supraledande material som niob.

"Efter detta tidigare arbete, vi insåg att i Purcell -regimen, snurrar slappnar inte bara snabbare tack vare mikrovågsresonatorn, men att de också termiseras till den temperatur som ställts in av mikrovågsfältet i resonatorn istället för temperaturen på kristallen i vilken de sätts in, "Patrice Bertet, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Denna nya insikt ledde till tanken att centrifugeringstemperaturen faktiskt är kopplad från provet, och att man därmed också ska kunna sänka den under provtemperaturen helt enkelt genom att kyla ner mikrovågsfältet inuti resonatorn. "

Kylning av spinnensembler kan leda till fascinerande resultat, eftersom det ökar deras polarisering, och med det, signalen som kan detekteras i magnetresonansförsök. Studien utförd av Bertet och hans kollegor hade två huvudmål.

För det första, forskarna ville bevisa att i Purcell -regimen, centrifugeringstemperaturer kopplas från gitteret och fixeras enbart av mikrovågsmiljön. För det andra, de bestämde sig för att utveckla en ny teknik för att hyperpolarisera en snurrensemble.

"Vårt andra mål var att demonstrera ett nytt universellt sätt att hyperpolarisera en ensemble av elektronspinn, "Sa Bertet." Detta kan ha många intressanta tillämpningar, sedan i magnetisk resonans, mängden signal som kan detekteras begränsas slutligen av ensemblens termiska polarisering. Därför, hyperpolarisering leder till ett förbättrat detekteringssignal / brusförhållande för ett visst antal snurr. "

De flesta experimenten och dataanalysen för studien utfördes av Bartolo Albanese som en del av hans doktorsexamen. avhandling vid CEA Saclay med hjälp av alla medförfattare. I hans experiment, Albanese använde en kiselkristall med implanterade givarsnurr och en mikroresonator ovanpå den. Resonatorn användes både för att detektera centrifugeringssignalen och för att demonstrera centrifugeringskylningseffekten.

"För att sänka mikrovågsfältstemperaturen inuti niobiumresonatorn, vi kopplade helt enkelt in resonatorns ingång till ett 50ohm -motstånd som svalnade vid en lägre temperatur, "Förklarade Bertet." Mer exakt, vi installerade provet som innehåller spinnarna och detekteringsresonatorn vid en temperatur av 850mK. "

Senare, Bertet, Albanese och deras kollegor kopplade resonatoringången till ett 50ohm -motstånd kylt vid 20mK, med hjälp av en koaxialkabel. Om mikrovågsförlusterna är låga, detta förfarande är tillräckligt för att även kyla ner intraresonatorfältet och i sin tur snurrar elektronen.

I deras senaste studie, forskarna visade framgångsrikt den strålande kylningen av ett spinnensemble genom att jämföra spinnsignalen under två olika förhållanden. I det första villkoret, dubbad het konfiguration, resonatoringången kopplades till ett 50-ohm-motstånd vid samma temperatur som provet. I det andra villkoret, kallad kall konfiguration, resonatorn var ansluten till 50-ohm-motståndet vid 10 mK.

"Vi observerade att centrifugeringssignalen ökade med en faktor 2,3 i den kalla konfigurationen, bevisar att centrifugeringar kyls radiativt långt under provtemperaturen, "Sa Bertet." Dessutom, vi observerade en ökning av centrifugeringsavslappningstiden i den kalla konfigurationen med samma faktor, enligt teorin. Våra observationer är meningsfulla både på teoretiska och experimentella grunder. "

Ur ett teoretiskt perspektiv, experimenten visar att i Purcell -regimen, centrifugeringar termiseras till en temperatur som bestäms av mikrovågsmiljön oavsett provets temperatur. Denna effekt, som aldrig tidigare observerats, bekräftar Purcell -regimens relevans för applikationer med magnetisk resonans.

Ur en mer praktisk synpunkt, den strålande kylteknik som introducerats av Bertet och hans kollegor är den första som möjliggör 'universell' hyperpolarisering i elektronspinn. Denna metod är 'universell' i den meningen att den kan tillämpas på alla elektronspinn som kan föras in i Purcell -regimen.

I framtiden, den kylteknik som forskarna utarbetat kan således ha flera praktiska tillämpningar. Till exempel, det kan hjälpa till att öka signal-brusförhållandet för elektronparamagnetisk resonans (EPR) spektroskopi.

"En begränsning av kylsystemet som vi insåg i vårt experiment är användningen av förkylning, 50-ohm motstånd för att kyla ner mikrovågsfältet i detekteringsresonatorn, och därmed snurrarna, "Bertet sa." Detta motstånd gör det omöjligt att kyla ner snurrningarna vid en temperatur som skulle vara lägre än den lägsta temperatur som fysiskt finns i kryostaten. Vårt mål i framtida studier kommer att vara att övervinna denna begränsning, samt att demonstrera strålande centrifugeringskylning vid godtyckligt låg temperatur genom att aktivt kyla fältet. "

© 2020 Science X Network