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巴黎薩克萊大學、倫敦大學學院和蘇黎世理工大學的科學家設計了一種新方法，通過將電子自旋極化提高到熱平衡值以上來控制自旋系綜的溫度，其研究成果發表在《自然物理學》期刊上。在他們之前的研究中已經證明，在一定條件下，讓電子自旋恢復熱平衡的最突出弛豫通道是微波光子自發發射到在實驗中使用的諧振器中，這種現象被稱為珀塞爾效應。
要達到珀塞爾狀態，諧振器需要兩個關鍵特性：它應該具有較小的模式體積，並實現高質量的測量。由鈮（Nb）等超導材料製成的平面微諧振器可以滿足這些條件。開展這項研究的研究人員之一帕特里斯·伯特特(Patrice Bertet)說：在這項之前的研究之後，我們意識到，在珀塞爾體系中，由於微波諧振器，自旋不僅鬆弛得更快，而且它們還會熱化到諧振器中微波場設置的溫度，而不是它們插入的晶體的溫度。
這種新見解導致了這樣的想法，即自旋溫度實際上與樣品是解耦的，因此，研究人員也可以簡單地通過冷卻諧振器內的微波場來將其降低到樣品溫度以下。冷卻自旋系綜可以帶來令人著迷的結果，因為它增加了它們的極化，並隨之而來的是在磁共振實驗中可以檢測到的信號。首先，研究人員想要證明，在珀塞爾體系中，自旋溫度與晶格是解耦的，並且只受微波環境的影響。其次，他們著手開發一種使自旋系綜超極化的新技術。
研究的第二個目標是展示一種新的通用方法，使電子自旋系綜超極化。這可能有許多有趣的應用，因為在磁共振中，可檢測到的信號量最終受到系綜熱極化的限制。因此，超極化可以提高給定自旋數量的檢測信噪比。在實驗中，使用了一種植入了施主自旋的矽晶體，並在其上面放置了一個微諧振器。諧振器既用來檢測自旋信號，又用來演示自旋冷卻效應。
為了降低鈮諧振器內部的微波場溫度，簡單地將諧振器的輸入連接到一個在較低溫度下冷卻的50歐姆電阻，更準確地說，研究把含有自旋和探測諧振器樣品安裝在850mK的溫度下。然後使用同軸電纜將諧振器輸入耦合到在20mK下冷卻的50歐姆電阻器。如果微波損耗很低，這個過程也足以冷卻諧振器內的磁場，進而使電子自旋。在新的研究中，研究人員通過比較兩種不同條件下的自旋信號，成功地證明了自旋系綜的輻射冷卻。
在第一種情況下，稱為熱配置，諧振器輸入耦合到與樣品溫度相同的50歐姆電阻。在第二種情況下，稱為冷配置，諧振器連接到10mK的50歐姆電阻。研究人員觀察到，在冷配置下，自旋信號增加了2.3倍，證明自旋在遠低於樣品溫度的情況下被輻射冷卻。此外，觀察到冷組態中的自旋弛豫時間增加了與理論預測相同的因素，其研究的觀察在理論和實驗基礎上都是有意義的。
從理論上講，實驗證明在珀塞爾模式下，無論樣品的溫度如何，自旋熱化到由微波環境決定的溫度。這一以前從未觀察到的效應證實了珀塞爾機制與磁共振應用的相關性。從更實際的角度來看，研究引入的輻射冷卻技術，是第一個實現電子自旋「普遍」超極化的技術。這種方法是「普遍的」，因為它可以應用於所有可以帶入珀塞爾區域的電子自旋。
因此，在未來，研究人員設計的冷卻技術可能會有幾個實際應用。例如，它可以幫助提高電子順磁共振(EPR)光譜學的信噪比。在實驗中實現的冷卻方案，一個限制是使用一個50歐姆的冷電阻來冷卻探測諧振器中的微波場，從而冷卻自旋。這種電阻器使得在低於低溫恆溫器物理上可用的最低溫度下冷卻自旋是不可能的。研究人員預計在未來的研究目標將是克服這一限制，並通過主動冷卻磁場來證明在任意低溫下的輻射自旋冷卻。
博科園｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli/Phys
研究發表期刊《自然物理學》
DOI: 10.1038/s41567-020-0872-2
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