一种用于自旋系综辐射冷却的新技术

时间:2020-05-28 18:33 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

一种用于自旋系综辐射冷却的新技术 CEA/CNRS/巴黎萨克莱大学、伦敦大学学院和苏黎世联邦理工学院的研究人员最近设计了一种新方法,通过增加电子自旋极化到热平衡值以上来控制自旋系综的温度。他们的研究发表在《自然物理》杂志上,以2016年的一项研究为基础。 在他们之前的工作中,该团队证明了在特定条件下,使电子自旋回归热平衡的最显著的松弛通道是微波光子自发发射到实验中使用的谐振腔中。这种现象被称为珀塞尔效应。 为了达到Purcell状态,谐振器需要两个关键特性:它应该有一个小的模式体积,并实现高质量的测量。这些条件可以通过由超导材料(如铌)制成的平面微谐振器来满足。 “这以前的工作后,我们意识到在珀塞尔政权,自转速度不仅放松由于微波谐振器,但这也使热化设定的温度微波场的谐振器,而不是温度的晶体插入,“帕特里斯Bertet,开展这一研究的研究人员之一,告诉Phys.org。“这一新的发现导致了这样一种想法,即自旋温度实际上是与样品解耦的,因此也应该能够通过冷却谐振腔内的微波场来将其降低到样品温度以下。” 冷却自旋系综可以导致令人着迷的结果,因为它增加了它们的极化,与此同时,可以在磁共振实验中检测到信号。这项由Bertet和他的同事们进行的研究有两个主要目标。 首先,研究人员想要证明,在珀塞尔体系中,自旋温度与晶格解耦,只在微波环境下固定。其次,他们着手开发一种使自旋系综超极化的新技术。 “我们的第二个目标是展示一种新颖的通用方法来使电子自旋系超极化,”Bertet说。“这可能有许多有趣的应用,因为在磁共振中,可检测到的信号的数量最终受到整体的热偏振的限制。因此,在给定自旋数的情况下,超极化会导致检测信噪比的提高。” 这项研究的大部分实验和数据分析都是由巴托洛·阿尔巴尼斯(Bartolo Albanese)在法国萨克雷大学(CEA Saclay)的博士论文中,在所有合著者的帮助下完成的。在他的实验中,艾博年使用了植入自旋的硅晶体和在其上的微谐振器。谐振腔用于探测自旋信号和演示自旋冷却效果。 “为了降低铌谐振器内部的微波场温度,我们简单地将谐振器的输入连接到一个冷却温度较低的50欧姆电阻上,”Bertet解释道。“更准确地说,我们在850mK的温度下安装了包含自旋和探测谐振器的样品。” 随后,Bertet、Albanese和他们的同事使用同轴电缆将谐振器输入耦合到20mK冷却的50ohm电阻上。如果微波损耗低,这一过程也足以冷却腔内场,进而使电子自旋。 在他们最近的研究中,研究人员通过比较两种不同条件下的自旋信号,成功地演示了自旋系综的辐射冷却。在第一种情况下,称为热配置,谐振器输入耦合到一个50欧姆电阻在相同的温度作为样品。在第二种情况下,称为冷配置,谐振器连接到10 mK的50欧姆电阻。 “我们观察到自旋信号在冷态下增加了2.3倍,证明自旋是在远低于样品温度的情况下被辐射冷却的,”Bertet说。此外,我们还观察到,与理论预测的一样,冷态结构中自旋弛豫时间也出现了同样的增长。我们的观察在理论和实验上都很有意义。” 从理论的角度来看,实验证明,在珀塞尔状态下,自旋的温度是由微波环境决定的,与样品的温度无关。这种以前从未被观察到的效应证实了珀塞尔机制在磁共振应用中的相关性。 从更实际的角度来看,由Bertet和他的同事引入的辐射冷却技术是第一个使电子自旋实现“普遍”超极化的技术。这种方法是“通用的”,因为它可以应用于所有可以带入珀塞尔体系的电子自旋。 在未来,研究人员设计的冷却技术可能会有几个实际的应用。例如,它可以帮助提高电子顺磁共振(EPR)光谱的信噪比。 “在我们的实验中实现的冷却方案的一个限制是使用一个50欧姆的冷电阻来冷却探测谐振腔中的微波场,从而冷却自旋,”Bertet说。“这个电阻器使得我们不可能在比低温恒温器的最低物理温度还要低的温度下冷却自旋。”我们未来研究的目标将是克服这一限制,以及通过主动冷却磁场来演示在任意低温下的辐射自旋冷却。” ?2020 Science X Network
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