作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 信用:艾博年等
东航/CNRS/巴黎萨克莱大学、伦敦大学学院和苏黎世联邦理工学院的研究人员最近设计了一种新方法，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
他们的研究发表在《自然物理》杂志上，基于他们在2016年进行的一项研究
在他们之前的工作中，该团队证明了在某些条件下，允许电子自旋回到热平衡的最显著的弛豫通道是微波光子自发发射到他们在实验中使用的谐振器中
这种现象被称为珀塞尔效应
为了达到珀塞尔状态，谐振器需要两个关键特征:它应该有一个小的模式体积，并实现高质量的测量
由超导材料如铌制成的平面微谐振器可以满足这些条件
进行这项研究的研究人员之一帕特里斯·贝特告诉《物理》杂志说:“在完成了之前的工作之后，我们意识到在珀塞尔体系中，自旋不仅因为微波谐振器而更快地松弛，而且它们还会热化到谐振器中微波场设定的温度，而不是它们所插入的晶体的温度。”
（同organic）有机
“这一新的见解导致了这样的想法，即自旋温度实际上与样品是分离的，因此，人们也应该能够通过冷却谐振器内的微波场来将其降低到样品温度以下
" 冷却自旋系综可以导致迷人的结果，因为它增加了它们的极化，并随之增加了可以在磁共振实验中检测到的信号
贝特和他的同事进行的这项研究有两个关键目标
首先，研究人员想证明在珀塞尔体系中，自旋温度与晶格无关，仅由微波环境决定
其次，他们着手开发一种新技术来超极化自旋系综
“我们的第二个目标是展示一种新的普遍方法来超极化一组电子自旋，”贝特说
“这可能有许多有趣的应用，因为在磁共振中，可检测的信号量最终受到系综热极化的限制
因此，对于给定数量的自旋，超极化导致增强的检测信噪比
" 这项研究的大部分实验和数据分析是由巴托罗·阿尔巴尼斯作为他的博士学位的一部分进行的
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在所有合著者的帮助下在CEA Saclay发表论文
在他的实验中，艾博年使用了一种带有植入供体自旋的硅晶体，并在它上面安装了一个微型谐振器
谐振器用于检测自旋信号和演示自旋冷却效应
“为了降低铌谐振器内部的微波场温度，我们只需将谐振器的输入端连接到一个在较低温度下冷却的50欧姆电阻上，”贝特解释说
“更准确地说，我们在850兆焦耳的温度下安装了包含自旋的样品和检测谐振器
" 随后，贝特、艾博年和他们的同事用同轴电缆将谐振器输入端连接到一个冷却到20mK的50欧姆电阻上
如果微波损耗很低，这个过程足以冷却谐振器内的磁场，进而冷却电子自旋
在最近的研究中，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，被称为热配置，谐振器输入耦合到一个50欧姆的电阻，温度与样品相同
在第二种情况下，被称为冷配置，谐振器连接到50欧姆的电阻在10兆焦耳
“我们观察到自旋信号增加了2倍
3在冷配置中，证明自旋被辐射冷却到远低于样品温度，”贝特说
“此外，我们观察到冷构型的自旋弛豫时间增加了同样的因素，正如理论预测的那样
我们的观察在理论和实验上都是有意义的
" 从理论的角度来看，实验证明在珀塞尔状态下，自旋热化到由微波环境决定的温度，而与样品的温度无关
这种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，贝特和他的同事们引入的辐射冷却技术首次实现了电子自旋的“普遍”超极化
这种方法是“通用的”，因为它可以应用于所有能进入珀塞尔体系的电子自旋
将来，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波谱的信噪比
“在我们的实验中实现的冷却方案的一个限制是使用一个50欧姆的冷电阻来冷却检测谐振器中的微波场，从而冷却自旋，”贝特说
“这种电阻器使得在低于低温恒温器实际可用的最低温度的温度下冷却自旋变得不可能
我们未来研究的目标将是克服这一限制，并通过主动冷却磁场来演示任意低温下的辐射自旋冷却
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