Ricercatori presso CEA/CNRS/Université Paris Saclay, L'University College di Londra e l'ETH di Zurigo hanno recentemente ideato un nuovo metodo per controllare la temperatura di un insieme di spin aumentando la polarizzazione dello spin degli elettroni al di sopra del suo valore di equilibrio termico. La loro ricerca, in primo piano Fisica della natura , si basa su uno studio condotto nel 2016.

Nel loro lavoro precedente, il team ha dimostrato che in determinate condizioni, il canale di rilassamento più importante che ha permesso agli spin degli elettroni di tornare all'equilibrio termico è stata l'emissione spontanea di un fotone a microonde nel risonatore che hanno usato nei loro esperimenti. Questo fenomeno è noto come effetto Purcell.

Per raggiungere il regime di Purcell, il risonatore richiede due caratteristiche chiave:dovrebbe avere un volume di modalità ridotto, e ottenere misurazioni di alta qualità. Queste condizioni possono essere soddisfatte da microrisonatori planari realizzati con materiali superconduttori come il niobio.

"Dopo questo lavoro precedente, ci siamo resi conto che nel regime di Purcell, gli spin non solo si rilassano più velocemente grazie al risonatore a microonde, ma che termalizziamo anche alla temperatura impostata dal campo a microonde nel risonatore invece della temperatura del cristallo in cui sono inseriti, "Patrice Bertetti, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Questa nuova intuizione ha portato all'idea che la temperatura di spin sia di fatto disaccoppiata dal campione, e che si dovrebbe quindi anche essere in grado di abbassarlo al di sotto della temperatura del campione semplicemente raffreddando il campo di microonde all'interno del risonatore."

Gli insiemi di spin di raffreddamento possono portare a risultati affascinanti, man mano che aumenta la loro polarizzazione, e con esso, il segnale che può essere rilevato negli esperimenti di risonanza magnetica. Lo studio condotto da Bertet e dai suoi colleghi aveva due obiettivi chiave.

in primo luogo, i ricercatori volevano dimostrare che nel regime di Purcell, le temperature di spin sono disaccoppiate dal reticolo e fissate esclusivamente dall'ambiente a microonde. In secondo luogo, hanno deciso di sviluppare una nuova tecnica per iperpolarizzare un insieme di spin.

"Il nostro secondo obiettivo era dimostrare un nuovo modo universale per iperpolarizzare un insieme di spin di elettroni, " ha detto Bertet. "Questo può avere numerose applicazioni interessanti, poiché nella risonanza magnetica, la quantità di segnale rilevabile è in definitiva limitata dalla polarizzazione termica dell'insieme. Perciò, l'iperpolarizzazione porta a un rapporto segnale-rumore di rilevamento migliorato per un dato numero di spin".

La maggior parte degli esperimenti e dell'analisi dei dati per lo studio sono stati eseguiti da Bartolo Albanese come parte del suo dottorato di ricerca. tesi al CEA Saclay con l'aiuto di tutti i coautori. Nei suoi esperimenti, Albanese ha usato un cristallo di silicio con spin donatori impiantati e un micro-risonatore sopra di esso. Il risonatore è stato utilizzato sia per rilevare il segnale di spin sia per dimostrare l'effetto di raffreddamento dello spin.

"Per abbassare la temperatura del campo a microonde all'interno del risonatore al niobio, abbiamo semplicemente collegato l'ingresso del risonatore ad un resistore da 50ohm raffreddato a temperatura più bassa, " Spiegò Bertet. "Più precisamente, abbiamo installato il campione contenente gli spin e il risonatore di rilevamento a una temperatura di 850 mK."

Successivamente, Bertetto, Albanese e i loro colleghi hanno accoppiato l'ingresso del risonatore a un resistore da 50 ohm raffreddato a 20 mK, utilizzando un cavo coassiale. Se le perdite di microonde sono basse, questa procedura è sufficiente per raffreddare anche il campo intra-risonatore ea sua volta l'elettrone gira.

Nel loro recente studio, i ricercatori hanno dimostrato con successo il raffreddamento radiativo di un insieme di spin confrontando il segnale di spin in due condizioni diverse. Nella prima condizione, configurazione calda soprannominata, l'ingresso del risonatore è stato accoppiato a un resistore da 50 ohm alla stessa temperatura del campione. Nella seconda condizione, soprannominata configurazione fredda, il risonatore è stato collegato al resistore da 50 ohm a 10 mK.

"Abbiamo osservato che il segnale di spin è aumentato di un fattore 2,3 nella configurazione a freddo, dimostrando che gli spin vengono raffreddati radiativamente ben al di sotto della temperatura del campione, " disse Bertet. "Inoltre, abbiamo osservato un aumento del tempo di rilassamento dello spin nella configurazione fredda dello stesso fattore, come previsto dalla teoria. Le nostre osservazioni sono significative sia su basi teoriche che sperimentali".

Dal punto di vista teorico, gli esperimenti dimostrano che nel regime di Purcell, gli spin termalizzano a una temperatura determinata dall'ambiente a microonde indipendentemente dalla temperatura del campione. Questo effetto, che non era mai stato osservato prima, conferma l'importanza del regime di Purcell per le applicazioni di risonanza magnetica.

Da un punto di vista più pratico, la tecnica di raffreddamento radiativo introdotta da Bertet e dai suoi colleghi è la prima a consentire l'iperpolarizzazione "universale" negli spin degli elettroni. Questo metodo è "universale" nel senso che può essere applicato a tutti gli spin elettronici che possono essere portati nel regime di Purcell.

Nel futuro, la tecnica di raffreddamento ideata dai ricercatori potrebbe quindi avere diverse applicazioni pratiche. Ad esempio, potrebbe aiutare ad aumentare il rapporto segnale-rumore per la spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR).

"Una limitazione dello schema di raffreddamento realizzato nel nostro esperimento è l'uso di un freddo, Resistenza da 50 ohm per raffreddare il campo a microonde nel risonatore di rilevamento, e quindi le rotazioni, " ha detto Bertet. "Questo resistore rende impossibile raffreddare gli spin a una temperatura che sarebbe inferiore alla temperatura più bassa fisicamente disponibile nel criostato. Il nostro obiettivo negli studi futuri sarà quello di superare questa limitazione, oltre a dimostrare il raffreddamento di spin radiativo a una temperatura arbitrariamente bassa raffreddando attivamente il campo".

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