Chercheurs au CEA/CNRS/Université Paris Saclay, L'University College London et l'ETH Zurich ont récemment mis au point une nouvelle méthode pour contrôler la température d'un ensemble de spins en augmentant la polarisation du spin des électrons au-dessus de sa valeur d'équilibre thermique. Leurs recherches, présenté dans Physique de la nature , s'appuie sur une étude qu'ils ont menée en 2016.

Dans leurs précédents travaux, l'équipe a démontré que dans certaines conditions, le canal de relaxation le plus important qui a permis aux spins des électrons de revenir à l'équilibre thermique était l'émission spontanée d'un photon micro-onde dans le résonateur qu'ils ont utilisé dans leurs expériences. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet Purcell.

Pour accéder au régime Purcell, le résonateur nécessite deux caractéristiques clés :Il doit avoir un petit volume de mode, et obtenir des mesures de haute qualité. Ces conditions peuvent être remplies par des micro-résonateurs planaires constitués de matériaux supraconducteurs tels que le niobium.

"Après ce précédent travail, on s'est rendu compte que dans le régime Purcell, les spins ne se détendent pas seulement plus rapidement grâce au résonateur micro-ondes, mais qu'ils se thermalisent également à la température fixée par le champ hyperfréquence dans le résonateur au lieu de la température du cristal dans lequel ils sont insérés, " Patrice Bertet, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Cette nouvelle idée a conduit à l'idée que la température de spin est en fait découplée de l'échantillon, et que l'on devrait donc également pouvoir l'abaisser en dessous de la température de l'échantillon simplement en refroidissant le champ micro-ondes à l'intérieur du résonateur. »

Les ensembles de spin de refroidissement peuvent conduire à des résultats fascinants, en augmentant leur polarisation, et avec elle, le signal qui peut être détecté dans les expériences de résonance magnétique. L'étude menée par Bertet et ses collègues avait deux objectifs principaux.

Premièrement, les chercheurs ont voulu prouver que dans le régime de Purcell, les températures de spin sont découplées du réseau et fixées uniquement par l'environnement micro-ondes. Deuxièmement, ils ont entrepris de développer une nouvelle technique pour hyperpolariser un ensemble de spins.

"Notre deuxième objectif était de démontrer une nouvelle façon universelle d'hyperpolariser un ensemble de spins d'électrons, " dit Bertet. " Cela peut avoir de nombreuses applications intéressantes, car en résonance magnétique, la quantité de signal détectable est finalement limitée par la polarisation thermique de l'ensemble. Par conséquent, l'hyperpolarisation conduit à un rapport signal/bruit de détection amélioré pour un nombre donné de spins."

La plupart des expériences et des analyses de données pour l'étude ont été réalisées par Bartolo Albanese dans le cadre de son doctorat. thèse au CEA Saclay avec l'aide de tous les co-auteurs. Dans ses expériences, Albanese a utilisé un cristal de silicium avec des spins donneurs implantés et un micro-résonateur au-dessus. Le résonateur a été utilisé à la fois pour détecter le signal de spin et pour démontrer l'effet de refroidissement du spin.

"Afin d'abaisser la température du champ micro-ondes à l'intérieur du résonateur au niobium, on a simplement connecté l'entrée du résonateur à une résistance de 50ohm refroidie à plus basse température, " expliqua Bertet. " Plus précisément, nous avons installé l'échantillon contenant les spins et le résonateur de détection à une température de 850 mK."

Ensuite, Bertet, Albanese et leurs collègues ont couplé l'entrée du résonateur à une résistance de 50ohm refroidie à 20mK, à l'aide d'un câble coaxial. Si les pertes micro-ondes sont faibles, cette procédure est suffisante pour refroidir également le champ intra-résonateur et à son tour les spins des électrons.

Dans leur étude récente, les chercheurs ont réussi à démontrer le refroidissement radiatif d'un ensemble de spins en comparant le signal de spin dans deux conditions différentes. Dans la première condition, configuration à chaud doublée, l'entrée du résonateur était couplée à une résistance de 50 ohms à la même température que l'échantillon. Dans la deuxième condition, configuration à froid doublée, le résonateur était connecté à la résistance de 50 ohms à 10 mK.

"Nous avons observé que le signal de spin augmentait d'un facteur 2,3 en configuration froide, prouver que les spins sont refroidis par rayonnement bien en dessous de la température de l'échantillon, " dit Bertet. " D'ailleurs, nous avons observé une augmentation du temps de relaxation de spin dans la configuration froide par le même facteur, comme le prédit la théorie. Nos observations sont significatives tant sur le plan théorique qu'expérimental."

D'un point de vue théorique, les expériences prouvent que dans le régime de Purcell, les spins se thermalisent à une température déterminée par l'environnement micro-ondes quelle que soit la température de l'échantillon. Cet effet, qui n'avait jamais été observé auparavant, confirme la pertinence du régime de Purcell pour les applications de résonance magnétique.

D'un point de vue plus pratique, la technique de refroidissement radiatif introduite par Bertet et ses collègues est la première à permettre une hyperpolarisation « universelle » des spins électroniques. Cette méthode est « universelle » dans le sens où elle peut s'appliquer à tous les spins électroniques pouvant être amenés dans le régime de Purcell.

À l'avenir, la technique de refroidissement imaginée par les chercheurs pourrait ainsi avoir plusieurs applications pratiques. Par exemple, cela pourrait aider à augmenter le rapport signal sur bruit pour la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique (RPE).

"Une limitation du schéma de refroidissement tel que réalisé dans notre expérience est l'utilisation d'un froid, Résistance de 50 ohms pour refroidir le champ hyperfréquence dans le résonateur de détection, et donc les tours, " a déclaré Bertet. " Cette résistance rend impossible le refroidissement des spins à une température qui serait inférieure à la température la plus basse physiquement disponible dans le cryostat. Notre objectif dans les études futures sera de surmonter cette limitation, ainsi que pour démontrer le refroidissement par rotation radiatif à une température arbitrairement basse en refroidissant activement le champ. »

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