Investigadores de CEA / CNRS / Université Paris Saclay, University College London y ETH Zurich han ideado recientemente un nuevo método para controlar la temperatura de un conjunto de espines aumentando la polarización del espín electrónico por encima de su valor de equilibrio térmico. Su investigación, presentado en Física de la naturaleza , se basa en un estudio que realizaron en 2016.

En su trabajo anterior, el equipo demostró que bajo ciertas condiciones, el canal de relajación más prominente que permitió que los espines de los electrones regresaran al equilibrio térmico fue la emisión espontánea de un fotón de microondas en el resonador que usaron en sus experimentos. Este fenómeno se conoce como efecto Purcell.

Para alcanzar el régimen de Purcell, el resonador requiere dos características clave:debe tener un volumen de modo pequeño, y lograr mediciones de alta calidad. Estas condiciones pueden cumplirse mediante micro-resonadores planos que están hechos de materiales superconductores como el niobio.

"Después de este trabajo anterior, nos dimos cuenta de que en el régimen de Purcell, los giros no solo se relajan más rápido gracias al resonador de microondas, pero que también se termalizan a la temperatura establecida por el campo de microondas en el resonador en lugar de la temperatura del cristal en el que se insertan, "Patrice Bertet, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Este nuevo conocimiento llevó a la idea de que, de hecho, la temperatura de centrifugado está desacoplada de la muestra, y que, por lo tanto, también debería ser posible bajarla por debajo de la temperatura de la muestra simplemente enfriando el campo de microondas dentro del resonador ".

Los conjuntos de giros fríos pueden llevar a resultados fascinantes, a medida que aumenta su polarización, y con eso, la señal que se puede detectar en experimentos de resonancia magnética. El estudio realizado por Bertet y sus colegas tenía dos objetivos clave.

Primeramente, los investigadores querían demostrar que en el régimen de Purcell, Las temperaturas de centrifugado se desacoplan de la red y se fijan únicamente por el entorno de microondas. En segundo lugar, se propusieron desarrollar una nueva técnica para hiperpolarizar un conjunto de espín.

"Nuestro segundo objetivo era demostrar una nueva forma universal de hiperpolarizar un conjunto de espines de electrones, ", Dijo Bertet." Esto puede tener numerosas aplicaciones interesantes, ya que en resonancia magnética, la cantidad de señal detectable está limitada en última instancia por la polarización térmica del conjunto. Por lo tanto, la hiperpolarización conduce a una mejor relación señal / ruido de detección para un número determinado de vueltas ".

La mayoría de los experimentos y análisis de datos para el estudio fueron realizados por Bartolo Albanese como parte de su Ph.D. tesis en CEA Saclay con la ayuda de todos los coautores. En sus experimentos, Albanese usó un cristal de silicio con espines de donante implantados y un micro-resonador encima. El resonador se utilizó tanto para detectar la señal de giro como para demostrar el efecto de enfriamiento del giro.

"Para reducir la temperatura del campo de microondas dentro del resonador de niobio, simplemente conectamos la entrada del resonador a una resistencia de 50 ohmios enfriada a una temperatura más baja, Bertet explicó. Más precisamente, instalamos la muestra que contiene los espines y el resonador de detección a una temperatura de 850mK ".

Después, Bertet, Albanese y sus colegas conectaron la entrada del resonador a una resistencia de 50 ohmios enfriada a 20 mK, utilizando un cable coaxial. Si las pérdidas de microondas son bajas, este procedimiento es suficiente para enfriar también el campo intra-resonador y, a su vez, el electrón gira.

En su estudio reciente, los investigadores demostraron con éxito el enfriamiento radiativo de un conjunto de espín comparando la señal de espín en dos condiciones diferentes. En la primera condición, configuración denominada caliente, la entrada del resonador se acopló a una resistencia de 50 ohmios a la misma temperatura que la muestra. En la segunda condición, denominada configuración fría, el resonador se conectó a la resistencia de 50 ohmios a 10 mK.

"Observamos que la señal de giro aumentó en un factor de 2,3 en la configuración fría, demostrar que los espines se enfrían radiativamente muy por debajo de la temperatura de la muestra, "Bertet dijo." Además, observamos un aumento en el tiempo de relajación del giro en la configuración fría por el mismo factor, como predice la teoría. Nuestras observaciones son significativas tanto desde el punto de vista teórico como experimental ".

Desde una perspectiva teórica, los experimentos demuestran que en el régimen de Purcell, los espines se termalizan a una temperatura determinada por el entorno de microondas independientemente de la temperatura de la muestra. Este efecto, que nunca antes se había observado, confirma la relevancia del régimen de Purcell para aplicaciones de resonancia magnética.

Desde un punto de vista más práctico, la técnica de enfriamiento radiativo introducida por Bertet y sus colegas es la primera en permitir la hiperpolarización "universal" en los espines de electrones. Este método es "universal" en el sentido de que se puede aplicar a todos los espines de electrones que pueden entrar en el régimen de Purcell.

En el futuro, Por tanto, la técnica de enfriamiento ideada por los investigadores podría tener varias aplicaciones prácticas. Por ejemplo, podría ayudar a aumentar la relación señal / ruido para la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR).

"Una limitación del esquema de enfriamiento como se realizó en nuestro experimento es el uso de un frío, Resistencia de 50 ohmios para enfriar el campo de microondas en el resonador de detección, y de ahí los giros, ", Dijo Bertet." Esta resistencia hace que sea imposible enfriar los espines a una temperatura que sería más baja que la temperatura más baja físicamente disponible en el criostato. Nuestro objetivo en futuros estudios será superar esta limitación, así como para demostrar el enfriamiento radiativo por rotación a una temperatura arbitrariamente baja enfriando activamente el campo ".

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