巴黎萨克莱大学、伦敦大学学院和苏黎世理工大学的科学家设计了一种新方法，通过将电子自旋极化提高到热平衡值以上来控制自旋系综的温度，其研究成果发表在《自然物理学》期刊上。在他们之前的研究中已经证明，在一定条件下，让电子自旋恢复热平衡的最突出弛豫通道是微波光子自发发射到在实验中使用的谐振器中，这种现象被称为珀塞尔效应。

要达到珀塞尔状态，谐振器需要两个关键特性：它应该具有较小的模式体积，并实现高质量的测量。由铌（Nb）等超导材料制成的平面微谐振器可以满足这些条件。开展这项研究的研究人员之一帕特里斯·伯特特(Patrice Bertet)说：在这项之前的研究之后，我们意识到，在珀塞尔体系中，由于微波谐振器，自旋不仅松弛得更快，而且它们还会热化到谐振器中微波场设置的温度，而不是它们插入的晶体的温度。

这种新见解导致了这样的想法，即自旋温度实际上与样品是解耦的，因此，研究人员也可以简单地通过冷却谐振器内的微波场来将其降低到样品温度以下。冷却自旋系综可以带来令人着迷的结果，因为它增加了它们的极化，并随之而来的是在磁共振实验中可以检测到的信号。首先，研究人员想要证明，在珀塞尔体系中，自旋温度与晶格是解耦的，并且只受微波环境的影响。其次，他们着手开发一种使自旋系综超极化的新技术。

研究的第二个目标是展示一种新的通用方法，使电子自旋系综超极化。这可能有许多有趣的应用，因为在磁共振中，可检测到的信号量最终受到系综热极化的限制。因此，超极化可以提高给定自旋数量的检测信噪比。在实验中，使用了一种植入了施主自旋的硅晶体，并在其上面放置了一个微谐振器。谐振器既用来检测自旋信号，又用来演示自旋冷却效应。

为了降低铌谐振器内部的微波场温度，简单地将谐振器的输入连接到一个在较低温度下冷却的50欧姆电阻，更准确地说，研究把含有自旋和探测谐振器样品安装在850mK的温度下。然后使用同轴电缆将谐振器输入耦合到在20mK下冷却的50欧姆电阻器。如果微波损耗很低，这个过程也足以冷却谐振器内的磁场，进而使电子自旋。在新的研究中，研究人员通过比较两种不同条件下的自旋信号，成功地证明了自旋系综的辐射冷却。

在第一种情况下，称为热配置，谐振器输入耦合到与样品温度相同的50欧姆电阻。在第二种情况下，称为冷配置，谐振器连接到10mK的50欧姆电阻。研究人员观察到，在冷配置下，自旋信号增加了2.3倍，证明自旋在远低于样品温度的情况下被辐射冷却。此外，观察到冷组态中的自旋弛豫时间增加了与理论预测相同的因素，其研究的观察在理论和实验基础上都是有意义的。

首次实现

从理论上讲，实验证明在珀塞尔模式下，无论样品的温度如何，自旋热化到由微波环境决定的温度。这一以前从未观察到的效应证实了珀塞尔机制与磁共振应用的相关性。从更实际的角度来看，研究引入的辐射冷却技术，是第一个实现电子自旋“普遍”超极化的技术。这种方法是“普遍的”，因为它可以应用于所有可以带入珀塞尔区域的电子自旋。

因此，在未来，研究人员设计的冷却技术可能会有几个实际应用。例如，它可以帮助提高电子顺磁共振(EPR)光谱学的信噪比。在实验中实现的冷却方案，一个限制是使用一个50欧姆的冷电阻来冷却探测谐振器中的微波场，从而冷却自旋。这种电阻器使得在低于低温恒温器物理上可用的最低温度下冷却自旋是不可能的。研究人员预计在未来的研究目标将是克服这一限制，并通过主动冷却磁场来证明在任意低温下的辐射自旋冷却。

博科园｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli/Phys

研究发表期刊《自然物理学》

DOI: 10.1038/s41567-020-0872-2

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