Керування розслабленням спіна за допомогою порожнини

Застосування цього результату можна знайти в електронному парамагнітному резонансі (ЕПР) та квантовій інформації. У RPE контроль спінової релаксації порожниною повинен вирішити проблему надмірно тривалого часу релаксації при низькій температурі, а також відкрити шлях для нових протоколів динамічної поляризації ядерного спіну. У квантовій інформації ці результати представляють важливий крок на шляху до когерентного зчеплення спіна з мікрохвильовими фотонами, що може призвести в довгостроковій перспективі до розвитку майбутнього квантового процесора на основі окремих спінів.

Спинова релаксація - це процес, за допомогою якого спін досягає теплової рівноваги, обмінюючись квантом енергії ħωS з навколишнім середовищем (ωS є його резонансною частотою), наприклад у вигляді фотона або фонона (див. Малюнок нижче). Розуміння та контроль спінової релаксації має вирішальне значення в таких сферах, як спінтроніка, квантова інформація та магнітно-резонансна спектроскопія, а також зображення. Для цих застосувань час релаксації спіна T1 повинен бути достатньо довгим, щоб забезпечити когерентну маніпуляцію спіном; однак, якщо Т1 занадто довгий, це стає основною перешкодою, що обмежує частоту повторення експерименту, що безпосередньо впливає на максимальну чутливість, яку можна досягти. Деякі типи спінів можуть бути розслаблені в основному стані оптичними або електричними методами завдяки їх конкретній схемі рівня; однак ефективний і загальний метод ініціалізації віджиму на вимогу сьогодні недоступний.

На перший погляд, спонтанне випромінювання не є перспективним кандидатом для цього завдання: наприклад, випромінювальне обертання спіна електрона у вільному просторі при типовій частоті ωS/2π = 8 ГГц відбувається спонтанно кожні 30000 років. В історичній статті лауреат Нобелівської премії Е. Персел запропонував спосіб різко посилити спонтанне випромінювання: розглянувши дворівневу систему, вставлену в мікрохвильову порожнину з коефіцієнтом якості Q і частотою ω0 (див. Рисунок), якщо швидкість гасіння порожнина κ = ω0/Q більша за g константа зв'язку між спіном і полем у порожнині, швидкість спонтанного випромінювання фотонів через порожнину Γp задається формулою Перселла, яка передбачає, що Γp = κg 2/(δ 2 + κ 2/4), δ = ωS-ω0 - невідповідність між резонансною частотою переходу та частотою порожнини.

Ліворуч і в центрі: мікрохвильова порожнина - це надпровідний мікрорезонатор з надпровідним фактором якості, що складається з конденсатора С паралельно індуктору L шириною 5 мкм. Цей резонатор індуктивно пов'язаний з набором спінів, що несуться атомами вісмуту, імплантованими в кремній-підкладку. Справа: цей контур поміщений в мідний тримач для зразків у серці холодильника для розведення, весь охолоджується до температури 10 мК.

Ця швидкість спонтанного випромінювання через порожнину може бути набагато більшою, ніж у вільному просторі, і максимальна при резонансі (δ = 0), у цьому випадку Γp = 4g 2/κ. Яскравою ознакою ефекту Перселла є те, що Γp сильно залежить від розбіжностей δ, що дозволяє контролювати розслаблення на вимогу. Ефект Перселла спостерігався з реальними та рукотворними атомами, такими як квантові точки, і є основою найдосконаліших джерел одиночних фотонів. Хоча це було активно досліджено, до цього часу воно ніколи не спостерігалося для спінових переходів електронів у мікрохвильовій області.,

Для досягнення режиму, коли ефект Перселла є домінуючим механізмом релаксації спіна, необхідно досягти як міцного зчеплення між спіном і мікрохвильовою порожниною, так і порожнини без внутрішніх втрат. Це вдалося авторам, зробивши порожнину надпровідними матеріалами, дозволивши отримати дуже високий коефіцієнт якості, і зменшивши її поперечні розміри до розміру в кілька мікрон, щоб максимально обмежити мікрохвильове поле, яке бачать спіни. (див. малюнок).

шляхом поєднання мікрохвильового обмеження, забезпеченого резонатором, що має характерний розмір порядку мікрона, з дуже високими коефіцієнтами якості, отриманими в результаті використання надпровідної порожнини. Ця порожнина осідає на кремнієвій підкладці, в яку були імплантовані атоми вісмуту. Вісмут діє в кремнії як донор електронів; при низькій температурі кожен атом вісмуту затримує електрон, резонансна частота якого для обертання спіна регулюється шляхом застосування статичного магнітного поля. Виявлення спінових переходів здійснюється за допомогою розробленого в лабораторії ультрачутливого спектрометра, що працює при температурі 10 мК [2].

Експеримент полягає в дуже простому вимірюванні часу релаксації спінів Т1 як функції розбіжності з порожниною δ, функції застосовуваного магнітного поля. Результат показує, що T1 змінюється на 3 порядки між випадком δ = 0, для якого T1 = 1 с, і найсильнішою виміряною невідповідністю, для якої ми вимірюємо T1 = 1500 с, (див. Малюнок). Ця вражаюча залежність є незаперечним доказом того, що розслаблення спінів дійсно обмежується спонтанним випромінюванням при δ = 0. Вимірювання T1 (δ) також кількісно відтворюються за формулою швидкості Перселла, до якої ми додали непроменевий релаксаційний внесок, який обмежує T1 до 1500 с в межах сильних розбіжностей.

Можливість модулювати спінову релаксацію на 3 порядки шляхом зміни прикладеного магнітного поля менше ніж на 0,1 мТл відкриває нові перспективи для спінової квантової інформації: довгі внутрішні часи релаксації, бажані для максимізації часу когерентності спінів, сумісні з швидкою ініціалізацією та на вимогу спіна в основному стані. Подібним чином, здатність прискорювати розслаблення спіна за запитом дозволить неможливі в іншому випадку вимірювання електронного спінового резонансу при дуже низьких температурах. Релаксація Перселла також може запропонувати новий підхід до динамічної ядерної поляризації, наприклад, налаштувавши порожнину на частоту комбінованого переходу електрона та ядерного спіну, що сприятиме релаксації до бажаного ядерного спінового стану. Нарешті, отриману швидкість Перселла можна було б збільшити ще більше, зменшивши поперечні розміри нашої мікрохвильової порожнини, зробивши можливим зменшення T1 при резонансі до 1 мілісекунди, що збільшило б чутливість нашого детектора і відкрило б можливість досягнення граничної чутливість: вимірювання магнітного резонансу одного спіна.

Зліва: Принцип експерименту. У твердому тілі в релаксації спіна переважають нееластичні процеси (через фонони). У мікрохвильовій порожнині радіаційна спінова релаксація посилюється. Праворуч: час релаксації T1, виміряний (сині точки) і передбачений ефектом Перселла (червона крива) як функція невідповідності d між резонансною частотою спінів wS і частотою порожнина w0.

[1] "Імовірності спонтанного випромінювання на радіочастотах", Е. Персел, Фіз. Преподобний. 69, B10 681 (1946).

[2] "Керування розслабленням спіна за допомогою порожнини",
A. Bienfait, J.J. Pla, Y. Kubo, X. Zhou, M. Stern, C.C. Lo, C.D. Weis, T. Schenkel, D. Vion, D. Esteve, J.J.L. Мортон та П.Бертет, Природа (2016), у пресі.

Дивіться також:
[3] "Досягнення квантової межі чутливості в електронно-спіновому резонансі",
A. Bienfait, JJ Pla, Y. Kubo, M. Stern, X. Zhou, CC Lo, CD Weis, T. Schenkel, MLW Thewalt, D. Vion, D. Esteve, B. Julsgaard, K. Mølmer, JJL Morton та П. Берте, Nature Nanotechnology (2015), прогресивна он-лайн публікація.

Ця робота була проведена в рамках європейського проекту ERC-Consolidator під керівництвом Патріса Берте:
"CIRQUSS - ланцюгова квантова електродинаміка з одиничними електронними та ядерними спінами"

Група Дж. Мортона Лондонський центр нанотехнологій, Університетський коледж Лондона, Лондон WC1H 0AH, Великобританія
Т. Шенкель та К. Вайс Відділ технологій та прикладної фізики прискорювачів, Національна лабораторія Лоуренса Берклі, Берклі, Каліфорнія 94720, США
Група Quantronics, Кафедра фізики конденсованого стану, IRAMIS/SPEC, UMR 3680 CEA-CNRS, Університет Париж-Сакла, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette cedex, Франція.