巴黎薩克萊大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院和蘇黎世理工大學(xué)的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種新方法，通過(guò)將電子自旋極化提高到熱平衡值以上來(lái)控制自旋系綜的溫度，其研究成果發(fā)表在《自然物理學(xué)》期刊上。

在他們之前的研究中已經(jīng)證明，在一定條件下，讓電子自旋恢復(fù)熱平衡的最突出弛豫通道是微波光子自發(fā)發(fā)射到在實(shí)驗(yàn)中使用的諧振器中，這種現(xiàn)象被稱為珀塞爾效應(yīng)。

要達(dá)到珀塞爾狀態(tài)，諧振器需要兩個(gè)關(guān)鍵特性：它應(yīng)該具有較小的模式體積，并實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的測(cè)量。由鈮（Nb）等超導(dǎo)材料制成的平面微諧振器可以滿足這些條件。開(kāi)展這項(xiàng)研究的研究人員之一帕特里斯·伯特特(Patrice Bertet)說(shuō)：在這項(xiàng)之前的研究之后，我們意識(shí)到，在珀塞爾體系中，由于微波諧振器，自旋不僅松弛得更快，而且它們還會(huì)熱化到諧振器中微波場(chǎng)設(shè)置的溫度，而不是它們插入的晶體的溫度。

這種新見(jiàn)解導(dǎo)致了這樣的想法，即自旋溫度實(shí)際上與樣品是解耦的，因此，研究人員也可以簡(jiǎn)單地通過(guò)冷卻諧振器內(nèi)的微波場(chǎng)來(lái)將其降低到樣品溫度以下。冷卻自旋系綜可以帶來(lái)令人著迷的結(jié)果，因?yàn)樗黾恿怂鼈兊臉O化，并隨之而來(lái)的是在磁共振實(shí)驗(yàn)中可以檢測(cè)到的信號(hào)。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，并且只受微波環(huán)境的影響。其次，他們著手開(kāi)發(fā)一種使自旋系綜超極化的新技術(shù)。

研究的第二個(gè)目標(biāo)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(yīng)用，因?yàn)樵诖殴舱裰校蓹z測(cè)到的信號(hào)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(shù)量的檢測(cè)信噪比。在實(shí)驗(yàn)中，使用了一種植入了施主自旋的硅晶體，并在其上面放置了一個(gè)微諧振器。諧振器既用來(lái)檢測(cè)自旋信號(hào)，又用來(lái)演示自旋冷卻效應(yīng)。

為了降低鈮諧振器內(nèi)部的微波場(chǎng)溫度，簡(jiǎn)單地將諧振器的輸入連接到一個(gè)在較低溫度下冷卻的50歐姆電阻，更準(zhǔn)確地說(shuō)，研究把含有自旋和探測(cè)諧振器樣品安裝在850mK的溫度下。然后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(gè)過(guò)程也足以冷卻諧振器內(nèi)的磁場(chǎng)，進(jìn)而使電子自旋。在新的研究中，研究人員通過(guò)比較兩種不同條件下的自旋信號(hào)，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(hào)增加了2.3倍，證明自旋在遠(yuǎn)低于樣品溫度的情況下被輻射冷卻。此外，觀察到冷組態(tài)中的自旋弛豫時(shí)間增加了與理論預(yù)測(cè)相同的因素，其研究的觀察在理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上都是有意義的。

首次實(shí)現(xiàn)

從理論上講，實(shí)驗(yàn)證明在珀塞爾模式下，無(wú)論樣品的溫度如何，自旋熱化到由微波環(huán)境決定的溫度。這一以前從未觀察到的效應(yīng)證實(shí)了珀塞爾機(jī)制與磁共振應(yīng)用的相關(guān)性。從更實(shí)際的角度來(lái)看，研究引入的輻射冷卻技術(shù)，是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)電子自旋“普遍”超極化的技術(shù)。這種方法是“普遍的”，因?yàn)樗梢詰?yīng)用于所有可以帶入珀塞爾區(qū)域的電子自旋。

因此，在未來(lái)，研究人員設(shè)計(jì)的冷卻技術(shù)可能會(huì)有幾個(gè)實(shí)際應(yīng)用。例如，它可以幫助提高電子順磁共振(EPR)光譜學(xué)的信噪比。在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的冷卻方案，一個(gè)限制是使用一個(gè)50歐姆的冷電阻來(lái)冷卻探測(cè)諧振器中的微波場(chǎng)，從而冷卻自旋。這種電阻器使得在低于低溫恒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(yù)計(jì)在未來(lái)的研究目標(biāo)將是克服這一限制，并通過(guò)主動(dòng)冷卻磁場(chǎng)來(lái)證明在任意低溫下的輻射自旋冷卻。

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研究發(fā)表期刊《自然物理學(xué)》

DOI: 10.1038/s41567-020-0872-2

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