Pesquisadores do CEA / CNRS / Université Paris Saclay, A University College London e a ETH Zurich desenvolveram recentemente um novo método para controlar a temperatura de um conjunto de spin aumentando a polarização do spin do elétron acima de seu valor de equilíbrio térmico. Sua pesquisa, apresentado em Física da Natureza , baseia-se em um estudo realizado em 2016.

Em seu trabalho anterior, a equipe demonstrou que, sob certas condições, o canal de relaxamento mais proeminente que permitiu que os spins do elétron voltassem ao equilíbrio térmico foi a emissão espontânea de um fóton de micro-ondas para o ressonador que usaram em seus experimentos. Esse fenômeno é conhecido como efeito Purcell.

Para alcançar o regime de Purcell, o ressonador requer duas características principais:deve ter um pequeno volume de modo, e obter medições de alta qualidade. Essas condições podem ser atendidas por microrressonadores planares feitos de materiais supercondutores, como o nióbio.

"Depois desse trabalho anterior, percebemos que no regime de Purcell, os giros não apenas relaxam mais rápido graças ao ressonador de micro-ondas, mas que também se termalizam à temperatura definida pelo campo de microondas no ressonador, em vez da temperatura do cristal em que estão inseridos, "Patrice Bertet, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Este novo insight levou à ideia de que a temperatura de rotação é, de fato, desacoplada da amostra, e que, portanto, também se deve ser capaz de abaixá-la abaixo da temperatura da amostra simplesmente resfriando o campo de micro-ondas dentro do ressonador. "

Resfriar conjuntos de spin pode levar a resultados fascinantes, à medida que aumenta sua polarização, e com isso, o sinal que pode ser detectado em experimentos de ressonância magnética. O estudo realizado por Bertet e seus colegas tinha dois objetivos principais.

Em primeiro lugar, os pesquisadores queriam provar que no regime de Purcell, as temperaturas de rotação são desacopladas da rede e fixadas apenas pelo ambiente de micro-ondas. Em segundo lugar, eles se propuseram a desenvolver uma nova técnica para hiperpolarizar um conjunto de spin.

"Nosso segundo objetivo era demonstrar uma nova maneira universal de hiperpolarizar um conjunto de spins de elétrons, "Bertet disse." Isso pode ter inúmeras aplicações interessantes, já que em ressonância magnética, a quantidade de sinal detectável é finalmente limitada pela polarização térmica do conjunto. Portanto, a hiperpolarização leva a uma razão sinal-ruído de detecção aprimorada para um determinado número de giros. "

A maioria dos experimentos e análises de dados para o estudo foram realizados por Bartolo Albanese como parte de seu doutorado. tese no CEA Saclay com a ajuda de todos os co-autores. Em seus experimentos, Albanese usou um cristal de silício com spins doadores implantados e um micro-ressonador em cima dele. O ressonador foi usado para detectar o sinal de spin e para demonstrar o efeito de resfriamento do spin.

"A fim de reduzir a temperatura do campo de microondas dentro do ressonador de nióbio, simplesmente conectamos a entrada do ressonador a um resistor de 50 ohms resfriado a uma temperatura mais baixa, "Bertet explicou." Mais precisamente, instalamos a amostra contendo os spins e o ressonador de detecção a uma temperatura de 850mK. "

Subseqüentemente, Bertet, Albanese e seus colegas acoplaram a entrada do ressonador a um resistor de 50 ohms resfriado a 20mK, usando um cabo coaxial. Se as perdas de microondas forem baixas, este procedimento é suficiente também para resfriar o campo intra-ressonador e, por sua vez, os spins do elétron.

Em seu estudo recente, os pesquisadores demonstraram com sucesso o resfriamento radiativo de um conjunto de spin comparando o sinal de spin em duas condições diferentes. Na primeira condição, dublado configuração quente, a entrada do ressonador foi acoplada a um resistor de 50 ohms na mesma temperatura da amostra. Na segunda condição, chamada de configuração fria, o ressonador foi conectado ao resistor de 50 ohms a 10 mK.

"Observamos que o sinal de spin aumentou em um fator 2,3 na configuração fria, provar que os spins são radiativamente resfriados bem abaixo da temperatura da amostra, "Bertet disse." Além disso, observamos um aumento no tempo de relaxamento do spin na configuração fria pelo mesmo fator, como previsto pela teoria. Nossas observações são significativas tanto em bases teóricas quanto experimentais. "

De uma perspectiva teórica, os experimentos provam que no regime de Purcell, os spins são térmicos a uma temperatura determinada pelo ambiente de micro-ondas, independentemente da temperatura da amostra. Este efeito, que nunca tinha sido observado antes, confirma a relevância do regime de Purcell para aplicações de ressonância magnética.

De um ponto de vista mais prático, a técnica de resfriamento radiativo introduzida por Bertet e seus colegas é a primeira a permitir a hiperpolarização "universal" em spins de elétrons. Este método é "universal" no sentido de que pode ser aplicado a todos os spins de elétrons que podem ser trazidos para o regime de Purcell.

No futuro, a técnica de resfriamento idealizada pelos pesquisadores poderia, portanto, ter várias aplicações práticas. Por exemplo, poderia ajudar a aumentar a razão sinal-ruído para espectroscopia de ressonância paramagnética de elétrons (EPR).

"Uma limitação do esquema de resfriamento realizado em nosso experimento é o uso de um resfriado, Resistor de 50 ohms para resfriar o campo de microondas no ressonador de detecção, e, portanto, os giros, "Bertet disse." Este resistor torna impossível resfriar os spins a uma temperatura que seria mais baixa do que a temperatura mais baixa fisicamente disponível no criostato. Nosso objetivo em estudos futuros será superar essa limitação, bem como para demonstrar o resfriamento por rotação radiativa a uma temperatura arbitrariamente baixa por meio do resfriamento ativo do campo. "

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